磁重联中压缩 plasmoid 内的次级能量增益

Plasmoid——在重联电流片中自洽形成的磁化准圆形结构——先前被认为是高能粒子的坟墓。在本文中，我们展示了 plasmoid 在塑造相对论性重联（即上游磁化参数 $\sigma_{\rm up} \gg 1$）中粒子能谱的重要作用。利用 $\sigma_{\rm up}=10$ 和 $100$ 的电子-正电子对等离子体二维粒子网格模拟，我们研究了一种发生在压缩 plasmoid 内部的次级粒子能量增益过程。我们证明 plasmoid 随时间增长，而其内部被压缩，放大了内部磁场。注入孤立 plasmoid 中的粒子所感受到的磁场随时间线性增加，由于磁矩守恒而导致粒子能量增益。对于以幂律分布函数注入的粒子，该能量增益过程以如下方式作用：注入幂律的形状得以保持，同时在更高能量处产生额外的非热尾 $f(E)\propto E^{-3}$，其后为指数截断。截断能量随时间增加为 $E_{\rm cut}\propto\sqrt{t}$，可大大超过 $\sigma_{\rm up} m_e c^2$。我们解析地预言了次级加速时标与涌现粒子能谱的形状，这在某些天体物理系统（如耀变体喷流）中可能具有主要重要性。