非相对论激波处离子加速的模拟 III：粒子扩散

我们利用大型混合（动力学质子 - 流体电子）模拟，研究了无碰撞激波自洽电磁构型中高能粒子的输运。在本系列之前的论文中，我们展示了离子加速可能非常高效（能量占比高达 $10-20\%$），并概述了高能粒子流如何放大上游磁场。在此，我们测量了不同强度激波周围的粒子扩散，发现高能离子俯仰角散射的平均自由程与其在自生湍流中计算的回旋半径相当。对于中等强度的激波，磁场放大处于准线性机制下，粒子根据自生扩散系数进行扩散，即散射率仅取决于波长与粒子回旋半径相当的模态中的能量量。而对于极强激波，磁场被放大至非线性水平，大部分能量集中在波长与最高能离子回旋半径相当的模态中，高能粒子在放大磁场中经历类 Bohm 扩散。我们还展示了增强的扩散如何促进高能粒子返回激波，从而决定了在给定时间内通过扩散激波加速所能达到的最大能量。我们推导出的扩散系数参数化方法可用于将自洽的微观物理引入天体物理源（如超新星遗迹和星系团）中宇宙线加速的大尺度模型。