Shocks play a key role in plasma thermalization and particle acceleration in the near Earth space plasma, in astrophysical plasma and in laser plasma interactions. An accurate understanding of the physics of plasma shocks is thus of immense importance. We give an overview over some recent developments in particle-in-cell simulations of plasma shocks and foreshock dynamics. We focus on ion reflection by shocks and on the two-stream instabilities these beams can drive, and these are placed in the context of experimental observations, e.g. by the Cluster mission. We discuss how we may expand the insight gained from the observation of proton beam driven instabilities at near Earth plasma shocks to better understand their astrophysical counterparts, such as ion beam instabilities triggered by internal and external shocks in the relativistic jets of gamma ray bursts, shocks in the accretion discs of micro-quasars and supernova remnant shocks. It is discussed how and why the peak energy that can be reached by particles that are accelerated by two-stream instabilities increases from keV energies to GeV energies and beyond, as we increase the streaming speed to relativistic values, and why the particle energy spectrum sometimes resembles power law distributions.
衝撃波は、地球近傍のプラズマ、天体プラズマ、およびレーザープラズマ相互作用において、プラズマの熱化と粒子加速に重要な役割を果たす。したがって、プラズマ衝撃波の物理を正確に理解することは極めて重要である。本稿では、プラズマ衝撃波とフォアショックダイナミクスの粒子セルシミュレーションにおける最近の進展の概要を述べる。特に、衝撃波によるイオン反射と、これらのビームが引き起こす二流体不安定性に焦点を当て、これらをClusterミッションなどの実験的観測の文脈に位置づける。また、地球近傍のプラズマ衝撃波における陽子ビーム駆動不安定性の観測から得られた知見を、ガンマ線バーストの相対論的ジェットにおける内部衝撃波および外部衝撃波によって引き起こされるイオンビーム不安定性、マイクロクエーサーの降着円盤における衝撃波、超新星残骸の衝撃波など、天体物理学的対応現象の理解にどのように拡張できるかを議論する。さらに、ビームの速度が相対論的値まで増加するにつれて、二流体不安定性によって加速される粒子が到達できるピークエネルギーがkeV領域からGeV領域以上へとどのように増大するか、また粒子エネルギー分布がなぜ時としてべき乗則に従うのかについても考察する。