极端天体物理环境的等离子体物理

某些类别的天体物理客体，即磁星以及超新星和伽马射线暴 (GRB) 的中心引擎，具有在宇宙其他地方未曾遇到的极端物理条件。特别是，它们拥有超过 44 特斯拉临界量子场的磁场。弄清这些复杂的超强磁化系统如何运作，需要理解各种等离子体过程，包括小尺度动力学过程和大尺度磁流体力学 (MHD) 过程。然而，超强磁场在极大程度上改变了底层物理，以至于许多相关的等离子体物理问题需要建立基于 QED 的相对论性量子等离子体物理。在这篇综述中，在描述了所关注的极端天体物理系统并确定了相关的关键等离子体物理问题之后，我们回顾了此类理论发展的最新进展。我们讨论了超临界场如何改变真空和物质的性质，并概述了描述非相对论性和相对论性量子等离子体的基本理论框架。然后我们转向与磁星磁层以及超新星和长 GRB 中心引擎相关的相对论 QED 等离子体物理的天体物理应用。具体而言，我们讨论了光在磁星磁层中的传播；驱动磁星活动以及 GRB 喷流发射和传播的大尺度 MHD 过程；支配极端等离子体环境热力学的能量传输过程；在强磁层电流与磁星表面相互作用中起重要作用的微尺度动力学等离子体过程；以及超强磁场的磁重联。最后，我们指出未来的进展将需要发展数值模拟能力。