模拟磁化气体中尘埃的多样不稳定性

最近Squire与Hopkins表明，在任何外力（如辐射压、引力）影响下穿过磁化气体运动的带电尘埃颗粒会受到一系列不稳定性作用。定性上不同的不稳定性族与不同的阿尔文波或磁声波以及漂移或回旋运动相关。我们提出一组模拟来探索这些不稳定性，针对均匀介质中受外加速度作用的颗粒。我们改变诸如尘埃上洛伦兹力与阻力之比、等离子体 $\beta$、尺寸尺度和加速度等参数。所研究的所有 regime 在饱和态驱动湍流运动和尘埃-气体涨落，能快速将磁场放大至与速度涨落等强度，并产生无限持续的不稳定性（尽管颗粒随机运动）。不同参数产生多样的形态以及尘埃中定性不同的特征，但饱和气体态可广义表征为各向异性磁声波或阿尔文湍流。准线性理论能定性预测气体湍流性质。湍流从小尺度到大尺度增长，且大尺度模通常驱动更剧烈的气体湍流，但尘埃速度和密度涨落更为复杂。在许多 regime 中，尘埃形成达到极端过密度（高达 $\gg 10^{9}$ 倍均值）的结构（团块、纤维、片层），甚至在近乎不可压缩气体中也呈现显著子结构。这些在更低尘埃-气体比时甚至更突出。在其他 regime 中，尘埃通过磁涨落自激发散射，使尘埃速度各向同性化并放大，产生快速、扩散的尘埃运动。