相对论无碰撞激波中加速粒子的最大能量

伽马射线暴（GRB）的余辉辐射通常被解释为在 GRB 外部激波处加速的电子所产生的同步辐射，该激波以相对论速度向磁化星际介质中传播。通过多维粒子模拟（particle-in-cell simulations），我们研究了弱磁化相对论激波在磁化参数范围 $0<\sigma<10^{-1}$ 内的加速性能。激波前磁场垂直于流动方向，正如相对论激波通常预期的那样。我们发现，在电子-正电子等离子体中传播的相对论垂直激波在磁化参数 $\sigma<10^{-3}$ 时是高效的粒子加速器。对于电子-离子等离子体，向高效加速的转变发生在 $\sigma<3\times10^{-5}$ 时。在这里，两种粒子的加速过程类似，因为由于自生上游湍流中的强烈预热，电子进入激波时几乎与离子处于均分状态。在电子-正电子和电子-离子激波中，我们都发现加速粒子的最大能量随时间以 $t^{1/2}$ 的标度变化。这一标度比所谓的（且通常假设的）玻姆极限更浅，它自然源于激波层中产生的 Weibel 湍流的小尺度特性。在磁化等离子体中，加速粒子的能量增加直至达到一个饱和值，该值随磁化参数以 $\sigma^{-1/4}$ 的标度变化。进一步的能量增加被阻止，这是因为自生湍流被限制在激波周围厚度正比于 $\sigma^{-1/2}$ 的有限区域内。我们的结果可为各种天体物理源的非热辐射模型提供基于物理的输入，与 GRB 余辉尤为相关。