Athena++ 中的磁流体-粒子模拟模块：实现与代码测试

我们提出了一个集成于 Athena++ 框架中的新型磁流体-粒子模拟（MHD-PIC）代码。它像常规 PIC 代码一样处理高能粒子，而将其余热等离子体作为由磁流体力学（MHD）描述的背景流体，因此主要面向涉及宇宙线（CRs）动理学物理的多尺度天体物理问题。该代码针对插值和粒子沉积的高效向量化进行了优化，具有优异的并行扩展性。代码还兼容静态/自适应网格细化，并通过动态负载均衡进一步增强多尺度模拟。此外，我们实现了压缩/膨胀盒子框架，允许宇宙线压力各向异性的绝热驱动，以及 $\delta f$ 方法，可显著减少分布函数 $f$ 仅预期略微偏离背景的问题中的泊松噪声。代码性能通过一系列基准测试问题展示，包括非相对论平行激波中的粒子加速。特别地，我们在周期性和膨胀/压缩盒子设置下均重现了宇宙线回旋共振（流式和压力各向异性）不稳定性的线性增长。我们期望该代码为广泛的天体物理与等离子体物理应用开辟途径。