Vacuum polarization and cyclotron resonance effects on radiative transfer and plasma deceleration in subcritical X-ray pulsars
Ioffe Institute（伊俄费研究所）；Mullard Space Science Laboratory, University College London（穆拉德空间科学实验室，伦敦大学学院）；Astrophysics, Department of Physics, University of Oxford（天体物理学，物理系，牛津大学）
通过自洽辐射流体动力学模拟，研究强磁场中吸积通道的极化辐射传输，发现真空极化主导等离子体双折射，增强回旋谱特征和辐射减速，且回旋特征能量与吸积光度正相关。
2026-11-11 astro-ph.HE
Production and persistence of extreme two-temperature plasmas in radiative relativistic turbulence
湍流是激发无碰撞天体物理等离子体中电子和离子的主要过程，因此负责塑造它们的辐射特征（光度，光谱和可变性）。为了更好地理解无碰撞辐射等离子体受外部驱动的湍流的动力学性质，我们调查的粒子在细胞模拟的相对论等离子体湍流与外部逆康普顿冷却作用于电子。我们发现，离子不断升温，而电子逐渐冷却（由于辐射的净效应），因此离子与电子的温度比$T_i/T_e$随时间增长。我们发现，$T_i/T_e$是有限的，只有模拟的大小和持续时间（达到$T_i/T_e \sim 10^3$），表明没有有效的碰撞机制的电子-离子热耦合。这一结果对辐射效率低下的吸积流模型有影响，例如在银河系中心和M87中观察到的，所谓的具有$T_i/T_e \gg 1$的双温等离子体被用来解释它们的低光度。此外，我们发现，电子获得准热分布（由湍流粒子散射和辐射冷却的竞争决定），而离子进行有效的非热加速（获得比等效非辐射模拟更硬的分布）。有一个适度的非热人口的高能电子束间歇地在空间，时间和方向;这些电子束可以解释快速耀斑在某些高能天体物理系统（例如，银河中心（Galactic Center）这些数值结果表明，极端的双温等离子体可以产生和维持的相对论辐射湍流。
2020-07-23 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Radiative cooling induced coherent maser emission in relativistic plasmas
本文通过从头算高分辨率动理学模拟，首次揭示强磁化介质中经历同步辐射冷却的相对论性等离子体可经由电子回旋脉泽不稳定性自发产生相干线偏振辐射，且辐射损失延长了相干放大持续时间，为脉冲星发射和快速射电暴等天文现象提供了新解释。
2024-09-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Two-stream-like instability in dilute hot relativistic beams and astrophysical relativistic shocks
相对论无碰撞激波被认为是有效的粒子加速器。非线性结果的相互作用的加速粒子的前面运行的冲击，所谓的“前体”，与未扰动的等离子体的冲击上游，被认为是促进这些粒子的额外加速，并可能修改的流体动力学结构的冲击。本文研究了在非磁化和弱磁化等离子体中传播的相对论激波中，激波上游相互作用中出现的动力学模的线性增长：静电双流平行模和静电斜模。这些模式是特别感兴趣的，因为它们是这种类型的系统中已知的增长最快的模式。使用一个简化的分布函数的稀释超相对论性光束，相对论热在自己的休息框架，但有动量，窄准直在冷上游等离子体的框架，它传播到，我们确定了最快的增长模式在整个$k$空间，并计算其增长率。我们考虑所有类型的等离子体（对和离子电子）和光束（带电和电荷中性）。我们发现，不稳定的静电模式存在于任何类型的等离子体和任何冲击参数。我们进一步发现，两个模式，一个平行（PDMATHAMN）和另一个倾斜（$k_\perp \sim k_\|$），是竞争优势和任何一个可能主导的增长率在不同区域的相空间。主导模式主要由上游坐标系中加速粒子动量的垂直分布决定，它反映了激波的洛伦兹因子。平行模式在具有较低洛伦兹因子的冲击中变得更占主导地位（即，具有较大的动量扩散）。我们简要地讨论了我们的结果可能的影响，在伽马射线暴源的外部冲击。
2011-04-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Collisionless Magnetorotational Turbulence in Pair Plasmas: Steady-state Dynamics, Particle Acceleration, and Radiative Cooling
该研究利用三维完全动力学剪切盒模拟和同步辐射冷却策略，揭示成对等离子体磁旋转湍流在动力学尺度的谱变陡、角动量输运及不依赖初始条件的非热粒子加速。
2024-06-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Plasma-environment effects on K lines of astrophysical interest III. IPs, K thresholds, radiative rates, and Auger widths in Fe ix - Fe xvi
目的。在黑洞吸积盘的背景下，我们的目标是计算等离子体环境的原子参数的影响，用于模拟衰减的K-空位状态在中等电荷的铁离子，即Fe ix - Fe xvi。方法.我们使用完全相对论多组态Dirac-Fock（MCDF）方法，用时间平均Debye-Huckel势近似等离子体电子-核屏蔽和电子-电子屏蔽。结果我们报告修改后的电离势，K阈值能量，波长，辐射发射率，和俄歇宽度的等离子体特征的电子温度和密度范围内的$10^5$ - $10^7$ K和$10^{18}$ - $10^{22}$ cm $^{-3}$。结论.这项研究证实，未来的XRISM和ATHENA空间飞行任务所载的高分辨率X射线光谱仪将能够探测到由于致密物体周围的吸积盘中出现的极端等离子体条件而导致的这些离子K边缘的降低。
2020-01-31 astro-ph.HE physics.atom-ph
Radiative plasma simulations of black hole accretion flow coronae in the hard and soft states
针对X射线双星中黑洞吸积盘软硬辐射态起源不明的问题，研究通过纳入全量子电动力学过程的辐射等离子体模拟，证实磁化等离子体湍流可驱动吸积流冕，且量子电动力学过程决定等离子体状态，解释了两种辐射态的产生机制。
2024-08-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
KPolaris: GPU-accelerated Polarized Radiative Transfer in General Relativity
School of Physical Science and Technology, Ningbo University（宁波大学物理科学与技术学院）；BINGO Center, Ningbo University（宁波大学BINGO中心）；Center for High Energy Physics, Peking University（北京大学高能物理中心）
本文提出GPU加速的开源广义相对论偏振辐射转移代码KPolaris，支持解析模型与GRMHD模拟，提供诊断工具并验证精度，显著降低图像生成成本，促进偏振黑洞图像的多频率与时变研究。
2026-09-23 astro-ph.HE gr-qc
Updated Transfer Coefficients for Magnetized Plasmas
精确的辐射转移系数（发射率，吸收率和旋转率）是需要从相对论热，磁化等离子体，如那些发现在事件视界望远镜源的辐射建模。在这里，我们审查，更新，并纠正早期的工作辐射转移系数。我们还描述了一种改进的方法，用于数值计算旋转和提供方便的相对论$κ$分布的电子能量的拟合公式。
2021-09-23 astro-ph.HE
Radiative turbulent flares in magnetically-dominated plasmas
我们进行二维和三维动力学模拟重联介导的湍流耀斑在磁化的电子-正电子等离子体，弱和强的辐射冷却。这样的耀斑可以在中子星和吸积的黑洞周围产生。我们专注于磁占主导地位的制度的背景磁场线的张力超过等离子体静止质量的一个因素$σ_0 > 1$。在模拟中，湍流激发宏观尺度$l_0$，我们观察到，它的发展，形成薄，动态电流片在各种尺度上。沉积的宏观能量通过激励热粒子和非热粒子而耗散。粒子的能量分布是由脉冲加速在重新连接电流片，逐步随机加速，和辐射损失。我们用光穿越时间$l_0/c$与冷却时标的比值$A$来参数化辐射冷却，并研究了增加$A$对耀斑的影响。当辐射损失足够弱时，$A<σ_0^{-1}$，产生的辐射主要是由随机加速的粒子，辐射功率在热力学上取决于$A$。由此产生的耀斑辐射光谱是广泛的和各向异性的。在强冷却制度，$A>σ_0^{-1}$，随机加速被抑制，而在电流片脉冲加速继续运作。随着$A$进一步增加，发射变得由热粒子主导。我们的模拟提供了一个新的工具来研究粒子加速湍流，特别是在高能量，冷却与加速竞争。我们发现，粒子的分布是由强的耗散不稳定性的影响，和随机加速度不能描述的一个普遍的扩散系数。
2021-09-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
From electrons to Janskys: Full stokes polarized radiative transfer in 3D relativistic particle-in-cell jet simulations
相对论性河外喷流的基本等离子体成分在很大程度上仍然未知。相对论磁流体动力学（RMHD）模型能够再现许多观察到的宏观特征，这些外流。然而，甚长基线干涉（VLBI）阵列检测到的非热同步辐射，是一个副产品的动力学尺度的物理发生在喷流，物理不直接在大多数RMHD代码建模。本文试图辨别不同的等离子体成分之间的相对论喷流的辐射差异，使用小规模的三维相对论粒子在细胞（PIC）模拟。我们生成两个PIC射流模拟的全斯托克斯成像，其中一个射流由电子-质子（$e^{-}$ - $p^{+}$）等离子体组成（即，正常等离子体射流），和其中射流由电子-正电子（$e^{-}$ - $e^{+}$）等离子体组成的另一种（即，一对等离子体射流）。我们研究了从这两个射流模拟中产生的线偏振（LP）和圆偏振（CP）的形态和强度的差异。我们发现，从$e^{-}$ - $p^{+}$等离子体射流中发出的CP的分数水平比从具有相似速度和磁场强度的$e^{-}$ - $e^{+}$等离子体射流中发出的水平大几个数量级。此外，我们发现两种喷流组合物的线偏振和圆偏振同步辐射的形态是不同的。我们还证明了慢光插值的重要性，我们强调的效果，有限的光交叉时间所产生的偏振光线追踪时，通过相对论等离子体。
2021-06-09 astro-ph.HE
Kinetic turbulence in shining pair plasma: intermittent beaming and thermalization by radiative cooling
高能天体物理系统经常包含无碰撞的相对论等离子体，这些等离子体被湍流级联加热，并被辐射冷却。了解这种辐射湍流的性质是极端等离子体天体物理学的前沿。在本文中，我们使用粒子模拟研究外部逆康普顿辐射的影响，在光学薄，相对论对等离子体驱动的湍流。我们专注于统计稳定状态（注入能量与辐射能量平衡），并执行从低磁化到高磁化（$0.04 \lesssim σ\lesssim 11$）的参数扫描。我们表明，全球粒子能量分布是准热在所有的模拟，只有一个适度的人口的非热高能粒子（延长尾巴的一个因素$\sim 2$）。这表明非热粒子加速（在类似的非辐射模拟中观察到）被强辐射冷却淬灭。准热能分布通过分析模型很好地拟合，其中随机粒子加速（由于，例如，二阶费米机制或回旋共振相互作用）被辐射反作用力平衡。尽管等离子体的有效热化，非热高能粒子确实在全球动量分布的各向异性中作为高度可变的间歇性光束（对于高磁化情况）显着出现。束流高能粒子与间歇性电流片在空间上一致，表明局部磁重联可能是动力学束流的一种机制。这种光束现象可以解释在各种天体物理系统中观察到的快速耀斑（如耀变体喷流，蟹状星云和人马座A*）。
2020-01-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Radiative relativistic turbulence as an in situ pair-plasma source in blazar jets
本研究探讨了耀变体喷流中磁化辐射相对论湍流如何通过高能光子吸收产生正负电子对，揭示了粒子加速与辐射冷却达到平衡的新机制，为理解喷流物质组成提供了重要联系。
2025-04-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Pitch Angle Anisotropy Controls Particle Acceleration and Cooling in Radiative Relativistic Plasma Turbulence
自然界中最强大的高能量源能够将粒子加速到高能量，并在极短的时间尺度上将其辐射出去，甚至比系统的光穿越时间还要短。尽管有大量的辐射损失，但目前还不清楚是什么物理过程可以产生如此有效的加速。通过辐射粒子模拟，我们表明，磁占主导地位的湍流对等离子体受到强同步辐射冷却产生一个非热粒子光谱硬幂律范围内（斜率$p \sim 1$）在几个涡流周转时间。小俯仰角粒子在突然冷却之前，可能会大大超过标称的辐射反应极限。随着时间的推移，粒子谱变得更硬（$p < 1$），这是由于粒子冷却与能量相关的俯仰角各向异性。得到的同步加速器光谱是硬的（$νF_ν\propto ν^s$和$s \sim 1$）。我们的发现对于理解高能天体物理源的非热发射具有重要意义，最值得注意的是来自蟹状星云的伽马射线暴和伽马射线耀斑的瞬发阶段。
2021-09-06 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Non-relativistic free-free emission due to $n-$distribution of electrons - Radiative cooling and thermally averaged and total Gaunt factors
利用数值模拟跟踪等离子体的热演化，其特征在于n-分布，需要根据相应的平均温度和总Gaunt因子确定发射光谱和由于自由-自由发射引起的辐射损失。后者的详细计算，与n分布的电子与参数n范围从1（对应于麦克斯韦-玻尔兹曼分布）到100。随着n的减小，温度平均和总的Gaunt因子趋于用Maxwell-Boltzmann分布获得的那些。由于自由-自由发射在碰撞电离平衡条件下演化的等离子体中的辐射损失，由H，He，C，N，O，Ne，Mg，Si，S和Fe离子组成。这些损失随着参数n的减小而减小，当n = 1时达到最小值，从而收敛到热等离子体的损失。表的热平均和总冈特因子计算n分布和宽范围的电子和光子能量。
2017-07-17 astro-ph.HE
Radiative cooling in collisionally and photo ionized plasmas
我们讨论了最近的改进计算的辐射冷却在碰撞和光电离等离子体。我们正在扩展光谱模拟代码Cloudy，以便尽可能多地从外部数据库获取底层原子数据，其中一些是由其他数据库创建的，一些是由Cloudy团队开发的。本文重点介绍了最近的变化，在治疗的许多阶段的电离铁，并讨论了其扩展到其他元素。类氢离子和类氦离子的处理，在等电子的方法之前描述。Fe II是用大模型原子处理的特例。在这里，我们专注于Fe III到Fe XXIV，离子是重要的贡献者热，1 e5至1 e7 K，等离子体的辐射冷却和X射线光谱。我们使用基安蒂原子数据库来大大扩展冷却功能中的转换数量。基安蒂只包括那些通过复杂方法计算出原子数据的行。这将线路列表限制为较低的激发、较长的波长、跃迁。我们以前包括来自不透明度项目数据库的线，它往往包括更高的能量，更短的波长，过渡。这些方法与各种形式的g-bar近似法相结合，g-bar近似法是一种高度近似的碰撞率估算方法。对于几种铁离子，这两个数据库几乎完全互补。我们采用了一种混合方法，在可能的情况下使用基安蒂，并辅以来自不透明度项目的较短波长过渡线。包括最轻的三十个元素在内的总冷却量与以前的一些计算结果有很大的不同。
2012-12-06 astro-ph.HE astro-ph.IM
Magnetic Reconnection with Radiative Cooling. I. Optically-Thin Regime
磁重联是一种基本的等离子体过程，与磁能的快速耗散有关，被认为是实验室等离子体装置、地球磁层和日冕中许多破坏性现象的动力。传统的重联研究，针对这些相当脆弱的环境，有理由忽略了辐射的重联过程中的影响。然而，在高能天体物理学中的许多重连系统中（例如，吸积盘日冕、相对论性喷流、磁星耀斑），而且在强大的激光等离子体和z箍缩实验中，能量密度非常高，以至于辐射，特别是辐射冷却，可能开始发挥重要作用。这一观察激发了高能量密度辐射磁重联理论的发展。作为实现这一目标的第一步，我们在本文中提出了一个简单的Sweet-Parker非相对论连续MHD重联与强辐射冷却的理论。首先，我们展示了如何在没有引导磁场的情况下，强烈的冷却会导致重联层中等离子体的强烈压缩，从而导致更高的重联率。压缩比和层温度由欧姆加热和辐射冷却之间的平衡决定。辐射冷却层中的较低温度导致较高的斯皮策电阻率，因此导致重联率的额外增强。然后，我们将我们的一般理论应用到几个特定的天体物理学重要的辐射过程（韧致辐射，回旋加速器，逆康普顿）在光学薄制度，为零和强引导场的情况下。我们推导出的关键重连参数，包括重连率的具体表达式。我们还讨论了我们的理论的适用性的限制和条件。
2010-07-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron polarization in ultrarelativistic plasma current filamentation instabilities
研究了超相对论电子束撞击过密等离子体的等离子体电流分布，着重研究了辐射诱导电子极化。粒子模拟提供了三种不同制度的电流丝，即，正常的灯丝，异常灯丝，和淬火制度的分类和深入的分析。我们发现，电子辐射极化出现在沿方位角方向的动量空间，这显着不同的制度的不稳定性。我们提出了一个直观的哈密顿模型来追踪电子极化动力学的起源。特别是，我们辨别的作用，非线性横向运动的等离子体细丝，这会导致辐射自旋翻转的不对称性，产生积累的电子极化。我们的研究结果打破了传统的看法，即准对称场是低效的产生辐射自旋极化光束，这表明电子极化的实验室和天体物理等离子体不稳定性的新信息的来源的潜力。
2022-12-06 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.acc-ph
Radiative PIC simulations of relativistic pair plasma: multiple interacting current sheets and turbulent evolution
INAF, Osservatorio Astrofisico di Arcetri（意大利国家天体物理研究所，阿切尔西天文台）；SETI Institute（搜寻地外文明研究所）；Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Firenze（佛罗伦萨大学，物理与天文系）；INFN, Via G. Sansone 1（意大利国家核物理研究所）；IAPS, INAF（国际空间科学研究所，意大利国家天体物理研究所）；ENEA, NUC Department（意大利国家新 technologies、能源和可持续经济发展署，核能部门）；Institut für Theoretische Physik, Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学，理论物理研究所）
本文通过二维相对论粒子-网格（PIC）模拟研究了在高能天体物理环境中，如脉冲星风 nebula 中的粒子加速区域和相对论喷流中，多个相互作用电流片的辐射磁重联动力学，揭示了非线性湍流演化及同步辐射加速机制。
2026-05-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Discovery of Enhanced Radiative Recombination Continua of He-like Iron and Calcium from IC 443 and Its Implications
本文介绍了用{ \it朱雀X射线卫星}对银河系超新星遗迹IC 443的深度观测。我们发现铁和镍的K壳层谱线很强，在8- 10 ~keV处有一个三角形的剩余谱线，它对应于类氦铁的辐射复合连续谱（RRC）的能量。此外，在$\sim$ 5.1和$\sim$ 5.5 keV处观察到波浪形残差。我们证实，残差显示的第一个增强RRCs的He和H-类钙发现超新星遗迹。这些事实为重组血浆提供了强有力的证据。在电子温度为0.65keV的条件下，用重组等离子体模型再现了3.7- 10 keV波段的等离子体。复合参数$n_{\rm e}t$（$n_{\rm e}$是电子密度，$t$是复合等离子体形成后经过的时间）与铁和镍的丰度具有强相关性，因此误差较大。另一方面，镍与铁相对于太阳丰度的比值被很好地限制在11 $^{+4}_{-3}$（1 $σ$）。一种可能性是，大丰度比是祖先恒星不对称爆炸的结果。
2014-03-24 astro-ph.HE
The Magnetoviscous-thermal Instability
吸积流到暗黑洞上，比如我们银河系中心的人马座A*，是稀释的（轻度碰撞到高度无碰撞），光学薄，辐射效率低。因此，这种稀流的吸积特性预计将被修改其大的粘度和热导率。第二，这些系统中的湍流需要向外传输角动量以及通过引力下落产生的热能，以便允许吸积发生。这与经典的吸积流相反，在经典的吸积流中，通过沿着引力阱的吸积产生的能量是局部辐射的。在本文中，使用不可压缩流体处理的电离气体，我们扩大了以前的研究，考虑磁化旋转等离子体的稳定性，其中的热导率和粘度是不可忽略的，可能是动态重要的。我们发现了一类可以向外传输角动量和热能的MHD不稳定性。它们是描述辐射低效吸积流（RIAF）中吸积的合理候选者。最后，我们讨论了轻度稀释或无碰撞天体物理等离子体的解析模型和数值MHD模拟的影响，以及进一步研究的直接方向。
2011-10-03 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
grmonty: a Monte Carlo Code for Relativistic Radiative Transport
我们描述了一个蒙特卡罗辐射输运程序，用于计算热的，光学薄等离子体在完全广义相对论的光谱。我们在这里描述的版本是为了模拟克尔度规中的热吸积流，因此结合了同步辐射和吸收以及康普顿散射。然而，该代码可以很容易地推广到其他辐射过程和任意时空。我们描述了一套测试问题，并证明了预期的$N^{-1/2}$收敛速度，其中$N$是Monte Carlo样本的数量。最后，我们说明的能力的代码与模型计算，光谱的缓慢吸积的黑洞Sgr A* 的基础上提供的数据由数值广义相对论MHD模型的吸积等离子体。
2009-09-03 astro-ph.HE astro-ph.IM
General-relativistic and non-ideal radiative cooling in neutron star magnetospheres
The Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics University of Oxford（牛津大学鲁道夫·派尔斯理论物理中心）
研究辐射反冲冷却在中子星磁层中的效应，发现非均匀电磁场和广义相对论增强相空间动力学不稳定性，有利于相干辐射发射。
2026-06-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
R-JET: A postprocessing code for radiative transport in relativistic jets
本文介绍后处理辐射输运代码 R-JET，可计算任意光学厚度相对论喷流的光谱、核心位移与亮度分布，并通过测试和模型验证其结构预测能力。
2025-03-13 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Three-dimensional relativistic pair plasma reconnection with radiative feedback in the Crab Nebula
蟹状星云中100 MeV以上的快速同步加速器伽马射线耀斑的发现引起了人们对脉冲星风星云中粒子加速机制的新兴趣。扩散激波加速不能解释耀斑，因为粒子加速和发射发生在单个甚至亚拉莫尔时间尺度内。在这种情况下，同步辐射能量损失在粒子运动上引起拖曳力，该拖曳力平衡电加速度并防止160 MeV以上的同步辐射的发射。先前的分析研究和二维粒子模拟（PIC）表明，相对论重联是一个可行的机制，以规避上述困难。位于X点的重联电场线性加速粒子，辐射能量损失很小。在本文中，我们检查这种机制是否生存在3D中，使用一组大的PIC模拟与辐射反作用力和指导领域。在协议与早期的工作，我们发现，相对论漂移扭结不稳定变形，然后破坏层，导致显着的等离子体加热，但很少的非热粒子。适度的引导场使层稳定并使粒子加速。我们报告说，3D磁重联可以加速粒子以上的标准辐射反应极限，虽然效果是不太明显，比在2D没有引导场。我们确认，最高能量的粒子形成紧凑的聚束内的磁通量绳，和一个光束紧紧地限制在重联层，这可能会导致观察到的蟹状耀斑时，偶然，光束穿过我们的视线。
2014-01-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Radiative Particle-in-Cell Simulations of Turbulent Comptonization in Magnetized Black-Hole Coronae
本文首次利用辐射粒子模拟研究中等光学深度等离子体中的阿尔芬湍流，揭示黑洞冕中体康普顿化主导形成约100 keV发射峰、非热粒子产生MeV谱尾的机制，并成功复现Cyg X-1硬态谱。
2024-01-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
