Towards an understanding of the force-free magnetosphere of rapidly spinning black holes
围绕旋转黑洞的等离子体提取旋转能量和能量发射的能力已被认为是一个关键的天体物理现象。通过对无力磁层和黑洞之间相互作用的分析，我们对这一过程的性质有了重要的认识。这项任务涉及求解复杂的方程组，通常需要复杂的数值模拟。最近的分析试图解决这个问题，利用了极端克尔（NHEK）的近视界区域被赋予了增强的对称群的事实。我们继续在这个方向上，并表明，对于一些共形自相似的解决方案，NHEK力自由方程减少到一个单一的非线性常微分方程，这是很难解决的简单集成。我们在这里介绍一种新的方法，专门针对这个问题，并描述如何可以获得物理上有意义的解决方案。
2016-12-28 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Axisymmetric force-free magnetosphere in the exterior of a neutron star
磁星的磁层由于足点运动的剪切而逐渐扭曲。在考虑广义相对论效应的情况下，利用幂律电流模型计算了无力场的轴对称解。在这里，我们展示了磁能和螺旋度是如何沿着一系列平衡积累的。在强扭曲的情况下，一个磁通量绳，其中有大量的环向场被限制，在恒星附近分离。与平坦时空中的结果相比，发现这种磁场线结构由于强相对论效应而容易产生。虽然这种结构不是相对论所固有的，但即使对于较小的幂律指数，这种限制也是可能的。磁层中储存的能量和螺旋度存在一个上限。当螺旋度进一步积累时，可能发生巨耀斑等灾难性事件。
2017-03-07 astro-ph.HE gr-qc
Force-free pulsar magnetosphere: instability and generation of MHD waves
磁流体动力学（MHD）不稳定性在脉冲星磁层的结构和动力学中起着重要的作用。我们考虑了许多理论模型所提出的由微分转动引起的不稳定性。稳定性被认为是通过一个线性分析的frane内的无力MHD。我们认为，差分旋转磁层是不稳定的任何特定的几何形状的磁场和旋转定律。不稳定性的特征增长时间是旋转周期的数量级。这种不稳定性会导致磁层中辐射的波动和扩散的增强。
2012-04-13 astro-ph.HE
Global structure of the pulsar force-free magnetosphere revisited
本文提出了一种新的脉冲星无力磁层模型，它包括极隙、外隙和槽隙。它是基于一个新的精确解的脉冲星方程的形式的偏移量和由此产生的分裂偏移量的格式。
2013-01-21 astro-ph.HE
Near-horizon Extreme Kerr Magnetospheres
黑洞周围无力电动力学的解析解是建立简单的吸积盘和喷流动力学模型的基础。我们提出了一个（非穷举）分类的复杂的最高权重的解决方案，在极端克尔黑洞的近视界区域的无力方程。几类真正的磁主导或零的解决方案，无论是轴对称或非轴对称，承认有限的能量和角动量相对于渐近平坦的观察员。本文讨论了近视界区与光表面速度有关的一些微妙的问题。
2016-03-14 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Force-free and twisted, relativistic neutron star magnetospheres
在这张海报中，我们提出了一个轴对称的结构，一个扭曲的，对齐的旋转偶极子内的等离子体填充的磁层的无力磁层。我们探索了扭转的各种轮廓。我们发现，随着电流的增加，更多的场线穿过光柱，导致更有效的自旋下降。此外，我们注意到扭曲不能无限增加，在大约$π/2$的有限扭曲之后，场变得近似径向。这可能对与爆发有关的磁星的扭矩变化产生影响。
2022-03-18 astro-ph.HE
A mathematical form of force-free magnetosphere equation around Kerr black holes and its application to Meissner effect
基于Kerr黑洞（KBH）周围定常轴对称无力磁层（FFM）方程的拉格朗日量，我们发现FFM方程可以改写为新的形式$f_{,rr} / (1-μ^{2}) + f_{,μμ} / Δ+ K(f(r,μ),r,μ) = 0$，其中$μ= -\cosθ$ .通过坐标变换，上述方程的形式可由$s_{,yy} + s_{,zz} + D(s(y,z),y,z) = 0$给出。在此基础上，我们证明了满足$dω/d A_ϕ \leqslant 0$和$H_ϕ(dH_ϕ/dA_ϕ) \geqslant 0$条件的KBH-FFM不具有迈斯纳效应，这里$A_ϕ$是矢量位$\vec{A}$的$ϕ$分量，$ω$是磁场的角速度，${H_ϕ}$相当于极向电流的两倍.
2016-05-19 astro-ph.HE gr-qc
One-dimensional linear analysis and numerical simulations of Alfven waves in a force-free magnetosphere around a Kerr black hole
本研究通过一维线性分析与数值模拟，探究克尔黑洞周围无力磁层中阿尔芬波的传播与能量输运，发现其诱发快磁声波并确认能量守恒，且观察到静态极限附近的反射现象。
2025-01-23 astro-ph.HE gr-qc
Plasma flow in force-free magnetospheres: two-fluid model near pulsars and black holes
本文在双流体近似下，提出将粒子“绘制”到无力场解上的微扰方法，结合间隙区边界条件确定主导平行电场，为脉冲星和黑洞磁层构建了无需全局粒子模拟的全局解析模型。
2025-11-03 astro-ph.HE gr-qc
Spheroidal force-free neutron star magnetospheres
节录。快速旋转和自引力的天体会因离心力而产生强烈的变形。此外，如果它们被磁化，则它们产生相应地被扰动的电磁波。当恒星物体也被理想的等离子体包围时，就会形成磁层。本文研究了以旋转导体为内边界的无力磁层的电磁位形。我们特别强调毫秒周期的中子星磁层，那些显示出显着的扁球形。在球坐标系中，通过对随时间变化的麦克斯韦方程组进行数值积分来计算无外力解。相关的数量，如磁场结构，自旋亮度，极帽边缘和电流密度。我们发现球状恒星产生的无力磁场与球状恒星非常相似。然而，自旋下降的光度略有减少，增加扁率或长扁。此外，极冠面积增加，并始终主要包括等效的球形星极冠边缘。极冠电流密度也受到严重影响。
2021-12-15 astro-ph.HE
Axisymmetric force-free magnetosphere in the exterior of a neutron star II: Maximum storage and open field energies
磁星的磁气圈是由内部注入的能量和螺旋度逐渐演化而来。本文用数值方法得到了相对论无力磁层幂律电流模型的轴对称静态解。它们提供了关于其中存储的能量大的配置的信息。沿着一系列平衡的能量增加，并变得足以打开磁场。在恒星附近形成了一条磁通量绳，其中有大量的环向场被限制，状态超过开放场能量。这些状态在能量上是亚稳态的，多余的能量可能会以磁星爆发的形式喷射出来。
2018-01-19 astro-ph.HE
Force-free twisted magnetospheres of neutron stars
在磁星持续发射中观测到的X射线谱是磁层存在的证据。的光谱的高能量的一部分解释的软热光子在扭曲的磁层，这促使了越来越多的努力，以改善和推广现有的磁层模型的共振回旋上散射。我们希望建立更一般的配置扭曲，无力磁层作为第一步，了解所观察到的光谱中的磁场几何形状所扮演的角色。首先，我们回顾和扩展以前的分析工作，以评估半分析方法的可行性和局限性。其次，我们建立了一个数字代码，能够放松一个非旋转的磁层的初始配置，以一个无力的几何形状，提供任何形式的磁场在恒星表面。数值代码是基于一个有限差分时域，发散自由，和保守的计划，在其他情况下使用的磁摩擦方法的基础上。我们得到新的扭曲磁层的数值配置，与扭曲和电流的分布，从以前的解析解不同。新的家庭的解决方案的全球扭曲的范围是类似于现有的半解析模型（一些弧度），但实现的几何形状可能是完全不同的。扭曲的，无力的磁层的几何形状显示了比以前考虑的更广泛的各种可能性。这对观察到的光谱有影响，并打开了在辐射转移模拟中实施替代模型的可能性，目的是提供与观察结果进行比较的光谱。
2011-07-29 astro-ph.HE
Perturbing Monopolar Force-Free Magnetospheres to Slowly Rotating Black Holes
研究了旋转黑洞周围无力磁层结构的标架拖曳效应。对于慢速旋转的黑洞，解析探索往往集中于通过对黑洞自旋的扰动，将适用于静态黑洞的精确无力解转化为近似适用于慢速旋转黑洞的解。我们表明，最常见的单扰动单极解决方案，使用这种技术实际上是两大类解决方案之间的分界线：极向磁场，向上弯曲的方位轴和那些向下弯曲的赤道面。这是因为帧拖动影响环形磁场分布，改变极向磁场线之间的力平衡。
2019-03-14 astro-ph.HE
On the Global Structure of Pulsar Force-free Magnetosphere
起源于脉冲星磁层的等离子体改变了中子星的偶极磁场结构。在最简单的情况下，一个静止的轴对称无力磁层，一个自洽的描述的领域和电流是由著名的脉冲星方程。在这里，我们修改了常用的边界条件的问题，以纳入等离子体产生的差距，并提供一个框架，一个真正的自我一致的治疗脉冲星磁层。发现了脉冲星方程的广义多极解，与通常的分裂多极解相比，它更能反映大距离偶极无力场的特征.特别地，外部间隙位置完全在光圆柱体内部意味着在光圆柱体之外，零线和临界线应该对准并且在一定高度处平行于赤道。我们的计划脉冲星力自由磁层，这将有希望遵循广泛的分析和数值研究，可能有许多脉冲星研究的不同领域的影响。
2013-01-16 astro-ph.HE
Unified understanding of Alfvénic superradiance and the Blandford-Znajek process in a force-free black hole magnetosphere
本研究统一描述了克尔黑洞无力磁层中阿尔芬超辐射与Blandford-Znajek过程的能量提取机制，揭示了BZ过程为长波长极限，为高能天体物理现象提供新视角。
2025-08-06 astro-ph.HE gr-qc
Magnetosphere structure of a Kerr black hole: marginally force-free equatorial boundary condition
赤道边界条件在无力黑洞磁层结构中的作用很少被讨论，因为以往的研究主要集中在进入视界的磁力线上。然而，最近的高精度无力电动力学（FFE）的模拟\cite{East2018}表明，有两个领域的线进入地平线和结束在赤道电流片在能层内的渐近均匀的场位形。对于后一种场线，赤道边界条件很好地近似为边缘无力，即，$B^2-E^2\approx 0$，其中$B$和$E$分别是磁场强度和电场强度。在本文中，我们重新统一的解决方案，克尔BH磁层结构和调查的作用，边际无力赤道边界条件。我们发现，这个边界条件在塑造BH磁层的各个方面起着重要的作用，包括光表面的形状，近地平线的场线配置和坡印亭通量的来源。我们还提出了一个算法，数值求解的梯度-Shafranov方程和自洽施加的边际无力赤道条件。因此，我们发现我们的数值解和高精度FFE模拟之间有很好的一致性。我们还讨论了本文提出的边缘无力边界条件和数值算法对一般磁场位形的适用性。
2018-09-23 astro-ph.HE
Effects of Inner Alfvén Surface Location on Black Hole Energy Extraction in the Limit of a Force-Free Magnetosphere
一个能量提取的黑洞磁层可以通过其内部阿尔文表面的位置来定义，阿尔文表面决定了黑洞沿着给定磁场线提取能量的速率。我们研究了在无力极限下，内Alfvén面的位置如何改变能量提取黑洞磁层的结构。通过广义相对论扩展的牛顿磁摩擦方法，数值计算了数百个磁层的全范围的黑洞自旋和流动参数。我们发现，喷流状结构自然形成非常接近视界附近的阿尔文表面的边界的能层和能量被提取朝向赤道平面的阿尔文表面接近视界。这表明，可能存在两大类提取能量的黑洞磁层;那些将提取的能量直接传输给远处的观察者，以及那些将提取的能量传输给附近的吸积物质。应用于瞬态高能量现象，我们发现，它们也可能在时间尺度上不同的一个因素，20或更多。
2017-02-23 astro-ph.HE
Near-horizon Kerr Magnetosphere
我们利用快速旋转的黑洞的近视界共形对称性来确定它们的磁层的普适性质。本文导出了磁层在近视界区极限形式的解析表达式。对称性表明，这意味着黑洞迈斯纳效应持有自由麦克斯韦场，但一般违反了无力场。我们进一步表明，在极值极限，近地平线等离子体粒子是无限提升相对于吸积流。因此，由快速旋转的黑洞提供动力的活动星系核是高能粒子碰撞的天然场所。
2016-05-24 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Off-centred force-free neutron star magnetospheres
中子星的电磁活动产生的电子对充满了它们的磁层，用无力近似表示为零阶。从这个简化的模型中，既没有耗散，也没有加速，也没有带电粒子的辐射。到目前为止，只有中心偶极子磁场已被研究在这个限制。在本文中，我们探讨了一个旋转的偏心偶极子对无力磁层的后果，显示了新的磁场几何形状，其自旋下的光度以及电磁踢和扭矩感受到的中子星。解决方案是通过与时间相关的数值模拟的力自由政权使用我们的伪谱代码写在球坐标。我们的研究结果也进行了比较，以已知的分析表达式为偏心真空偶极子的扩展到最低阶的参数$ε= d/R$，其中$d$是位移的偶极子从恒星中心和$R$的中子星半径。无力等离子体的存在增强了自旋下降光度以及相对于中心无力偶极子的电磁反冲和扭矩。根据这些新结果，对孤立和双星中子星的影响进行了修正。
2020-12-14 astro-ph.HE
The spectral simulations of axisymmetric force-free pulsar magnetosphere
本文采用具有吸收外边界的拟谱方法求解了一组含时无力方程。在该方法中，电场和磁场都被展开的矢量球谐函数（VSH）的功能在球面几何和解析的磁场的无发散性强制执行的投影方法。我们的模拟表明，我们的伪谱代码可以很好地再现Deutsch真空解和Michel单极解。此外，该方法被用来呈现与时间相关的模拟力的脉冲星磁层的一个对齐的转子。模拟结果表明，该方法可以很好地分辨出赤道面内的电流片，得到的稳态下的自旋光度与Spitkovsky（2006）给出的数值吻合较好.
2015-11-25 astro-ph.HE
The Pulsating Pulsar Magnetosphere
根据电荷分离脉冲星磁层\citep{goldreich1969}的基本原理，我们认为磁层在空间是静止的，而不是共转的，电场是由脉冲星表面的电势分布通过单极感应建立的。因此，磁层的等离子体由于对磁场的横向力而经历陀螺运动的引导中心漂移。这些力是电力、磁梯度力和场线曲率力。由于这些等离子体速度具有漂移性质，因此不需要沿场线引入电动势，这将与$E_{\parallel}=\vec E\cdot\vec B=0$等离子体条件相矛盾。此外，也不需要引入将电子和离子开放场线分开的临界场线。我们提出了一个自洽的描述，磁层中描述的电场和磁场，也在等离子体的速度。然后，场和速度通过空间电荷密度自洽地连接起来。我们解析地求解脉冲星方程的场，并构造标准的稳态脉冲星磁层。将脉冲星内部的单极感应和脉冲星外部的磁层视为一个耦合系统，在单极抽运率超过开放磁力线的坡印亭通量的条件下，等离子体压力可以在磁层中，特别是在封闭区域中建立。这可能会导致封闭区域的周期性开放，导致脉动磁层，这可能是脉冲星信标的替代品。闭合区域也可以通过正反馈循环通过环形磁场的建立而周期性地打开。
2015-06-30 astro-ph.HE
Long-term evolution of the force-free twisted magnetosphere of a magnetar
研究了磁星无力磁层与内部磁场耦合的长期准定常演化。我们发现，磁层电流可以维持在数千年的时间尺度上。与此同时，磁层中储存的能量、螺旋度和扭曲度都在这一演化过程中逐渐增加，直到达到一个临界点，超过这个临界点就不能构建一个没有力的磁层。在这一点上，一些大规模的磁层重排，可能导致爆发或耀斑，必须发生，释放大部分的存储能量，螺旋度和扭曲。在此之后，准稳态演化应该以类似的方式从新的初始条件继续。达到该临界点的时间尺度取决于总磁场强度和环向场的相对分数。储存在无力磁层的能量被发现是高达$\sim 30\%$大于相应的真空能量。这意味着，对于磁极处的$10^{14}$ G场，可用于快速磁层事件的能量预算是几个$10^{44}$ erg的量级。由于磁层中的偶极含量被存在于那里的电流所增强，估计自旋下降速率将增加到$\sim 60\%$。制动指数$n$的粗略估计表明，它是系统的$n < 3$的大部分演变，与实际测量的磁星和早期估计的几个磁星一致。
2018-10-10 astro-ph.HE
Energy release from magnetospheres deformed by gravitational waves
在这项工作中，我们考虑的可能性，能量释放的脉冲星磁层变形的引力波从附近的来源。尽管引力波很弱，但磁层中的强电磁场可能会释放出不可忽视的能量。当背景时空由于引力波的通过而受到扰动时，内磁层的原始无力状态将受到轻微的破坏。当时空随时间变化时，充满等离子体的磁层倾向于演化成新的无力态。在这一过程中，储存在磁层中的一小部分电磁能将被释放出来，使带电粒子沿着磁场线加速。当脉冲星足够接近引力波源时（例如，$\sim10^{-2}$ pc到最近观测到的引力波源），由此产生的能量损失率与脉冲星的射电光度相当。人们还注意到，在非常严格的条件下（对于距源距离短得多的磁星），释放的能量可以达到从快速射电暴（FRB）中观察到的典型能量。
2019-01-23 astro-ph.HE gr-qc
The Force-Free Magnetosphere of a Rotating Black Hole
我们重新研究了Blandford & Znajek（1977）过程，并求解了控制Kerr黑洞周围稳态无力磁层结构的基本方程。该解依赖于磁场角速度ω和极向电流I的分布。这些都不是任意的。它们是自洽地确定的，要求磁场线平滑地穿过问题的两个奇异表面，即位于能层内部的内“光表面”和外“光表面”，这是脉冲星光圆柱体的概括。我们找到了最简单的可能的磁场配置的解决方案，分裂磁场，通过一个数值迭代松弛方法类似于一个产生的稳态轴对称无力脉冲星磁层的结构（Contopoulos，Kazanas & Fendt 1999）。我们得到的电磁提取的能量的速率，并确认Blandford和Znajek和以前的时间相关的模拟的结果。此外，我们讨论的物理适用性的磁场配置，不跨越两个“轻表面”。
2013-01-22 astro-ph.HE
Resistive Solutions for Pulsar Magnetospheres
脉冲星磁层建模的当前技术水平调用磁层等离子体的真空或无力极限。这两个极限都不能同时解释等离子体电流和加速电场，而加速电场是解释等离子体的形态和高能辐射光谱所必需的。为了更好地了解这种磁层的结构，我们结合加速场和力的解决方案，考虑模型的磁层充满电阻等离子体。我们制定欧姆定律在最小速度的流体框架，并构建了一个家庭的电阻解决方案，顺利桥接真空和无力磁层解决方案之间的差距。当等离子体电导率从零变化到无穷大时，自旋下降的光度、开放场线电位降和开放场线的分数都在真空和无力值之间过渡。对于固定的倾斜角，我们发现自旋下降的光度线性依赖于开场线的势降。我们认为我们的电阻解决方案的影响，在无线电脉冲星的间歇性的自旋下降和子脉冲漂移现象。
2011-11-17 astro-ph.HE
Magnetospheres of Black Hole Systems in Force-Free Plasma
黑洞与周围磁场的相互作用对各种高能天体物理现象都很重要。我们在无力近似下研究了这种相互作用，其中假设稀薄等离子体的惯性为零。Blandford和Znajek（BZ）用这种方法证明了在静止和轴对称的单黑洞系统中，部分黑洞的能量转化为电磁波印廷通量。我们采用这种方法，并将其扩展到检查不对称，最重要的是，动力系统，通过实施耦合到麦克斯韦方程组的广义相对论的完全非线性场方程。对于单个黑洞，我们特别研究的坡印廷通量的依赖性，并表明，即使对于黑洞自旋和渐近磁场的方向之间的错位，坡印廷通量产生的亮度依赖于这种错位。对于二元黑洞系统，我们表明，在头上和轨道的情况下，运动的黑洞产生坡印亭通量。
2010-07-07 astro-ph.HE gr-qc
Two-fluid model of the pulsar magnetosphere represented as an axisymmetric force-free dipole
基于脉冲星方程的精确偶极解，建立了脉冲星磁层的自洽双流体模型。我们集中在低质量限制的模型，考虑到辐射阻尼。因此，我们得到的粒子分布维持偶极无力配置的脉冲星磁层的情况下，轻微的速度剪切的电子和正电子组件。在无力区的大部分区域，粒子沿着极向磁场线运动，方位角速度很小。然而，在接近Y点的地方，粒子的运动主要是方位角的，而洛伦兹因子则无限制地增长。这可能导致从Y点附近的非常高的能量的发射，也可能意味着磁离心喷流的形成。对于一阶量，发现纵向加速电场改变了符号，暗示极隙和外隙共存。此外，还导出了等离子体电导率张量的分量，并给出了脉冲星方程的低质量近似。
2017-05-14 astro-ph.HE
Particle-in-cell simulations of pulsar magnetospheres: transition between electrosphere and force-free regimes
本文通过扩展PIC代码OSIRIS并结合多种等离子体注入方案，系统研究了脉冲星磁层在电球层与无力状态间的转换，发现不同注入方案在特定条件下均可产生活跃解。
2023-09-09 astro-ph.HE
A novel look at the pulsar force-free magnetosphere
本文研究了脉冲星静止轴对称无力磁层。本文给出了脉冲星方程的精确偶极解，在此基础上建立了磁层模型，并检验了它的观测支持。新的模型具有环形而不是常见的圆柱形几何形状，与在更大的空间尺度上直接观察到的脉冲星风星云的等离子体流出一致。在其新的配置，轴对称磁层消耗中子星旋转能量更有效地，这意味着重新估计的恒星磁场，$B_{\mathrm new}^0=3.3\times 10^{-4}B/P$，其中$P$是脉冲星的周期。然后，从观测到的恒星的旋转特性导出的磁场的7阶散射似乎与$\cotχ$定律一致，其中$χ$是均匀分布在间隔$[0,π/2]$中的随机量。我们的结果是暗示一个独特的实际磁场强度的中子星随着一个随机的角度之间的磁轴和旋转轴，并提供洞察中子星统一的几何基础。
2016-08-29 astro-ph.HE
Pulsar Magnetosphere
我们认为，现有的理想脉冲星磁层模型是不正确的，因为不适当的处理的奇异电流层外的光柱。在强场电动力学的无力极限下模拟了轴对称脉冲星磁层。结果表明，即使在无力极限下，也有一些场线进入位于赤道平面内光柱之外的奇异电流层。结果是：（i）大约10%的坡印廷通量在1和1.5个光柱半径之间耗散，（ii）在光柱内没有奇异电流层。
2011-01-16 astro-ph.HE
Force-Free Electrodynamics around Extreme Kerr Black Holes
充满等离子体的磁层可以从旋转的黑洞中提取能量，并为各种观测到的天体物理现象提供能量来源。这些磁层由高度非线性的无力电动力学方程（FFE）描述。通常，这些方程只能用数值方法求解。在本文中，我们考虑的FFE方程非常接近视界的最大自旋黑洞，在那里的能量提取发生。由于增强的共形对称性，出现在这个近地平线区域，我们能够解析地获得几个无限族的完全非线性方程的精确解。
2015-03-19 astro-ph.HE gr-qc hep-th
The Filling of Neutron Star Magnetospheres with Plasma: Dynamics of the Motion of Electrons and Positrons
本文研究了带电粒子在具有强表面磁场（B>10^（12）G）的旋转中子星真空磁层中的运动。落入磁层或在磁层中产生的电子和正电子被无力表面EB=0捕获。利用Dirac Lorentz方程，我们研究了粒子在无力面附近的捕获和随后的运动动力学。远离无力面的粒子能量由加速电场力的功率和曲率辐射强度之间的平衡决定。当被捕获时，粒子沿着磁场线进行绝热振荡，同时沿着无力面运动。我们已经找到了振荡参数和捕获粒子的轨迹。我们计算了粒子的特征俘获时间和能量损失，通过这两个韧致辐射和曲率光子的发射。粒子的捕获被示出为导致在无作用力表面附近积累的带电等离子体层的厚度的单调增加。估算了真空磁层充满等离子体所需的时间。
2009-12-29 astro-ph.HE astro-ph.SR
An oblique pulsar magnetosphere with a plasma conductivity
本文用伪谱方法研究了具有等离子体电导率的倾斜脉冲星磁层。在伪谱方法中，求解了含时的麦克斯韦方程组，将电场和磁场都用矢量球谐函数（VSH）在球面几何中展开，并通过投影方法解析地证明了磁场的无发散性。脉冲星磁层在无限（i。例如，无力近似）和有限电导率，得到了一族从Deutsch真空解到无力解的光滑过渡解.在无力的制度下，自旋下降的亮度对磁倾角$α$的$\sin^2α$的依赖关系，其中考虑到完整的电流密度被检索。
2016-06-08 astro-ph.HE
Conformal symmetry in force-free electrodynamics
College of Teacher Education, Quzhou University（衢州学院教师教育学院）
研究无源电动力学在闵氏时空中的共形对称性，证明流方程在莫比乌斯变换下不变，揭示了解结构间的联系及磁极视界区域的映射关系。
2026-03-26 astro-ph.HE gr-qc hep-th
On the Magnetosphere of an Accelerated Pulsar
我们报告一类显着的精确解无力电动力学，有四个电流沿光锥的任意类时世界线在平坦的时空。没有对称性的假设，解决方案是在一个自由的三个变量的函数。场配置应该描述在世界线上移动的脉冲星的外磁层。辐射的功率是加速度（Larmor型）项和脉冲星型项之和。
2014-10-31 astro-ph.HE gr-qc
Axisymmetric force-free magnetosphere of a pulsar. I. The structure close to the magnetic axis
对脉冲星静止轴对称无力磁层进行了解析研究。脉冲星方程在磁轴附近区域求解。从轴向区域电流函数的线性化出发，我们发现轴向磁通量函数在中子星上方的任何高度都是有效的。这个函数被用来作为一个起始近似开发系列的非线性脉冲星方程在极地地区。考虑到脉冲星磁通量在无穷远处的准单极特性，我们得到了磁通量和电流函数的唯一渐近级数。在无穷远处，这两个函数都很接近，但不等同于已知的无力粒子的情况。发现极隙顶部的通量函数与中子星表面的偶极通量函数不同。结果表明，闭合中子星表面脉冲星电路的横向电流片与全球磁层结构一致，小极角下的粒子流可以排除，稳态级联的情况是可以接受的.本文件是第一步，对完整的分析描述的脉冲星力自由磁层允许等离子体产生的差距和脉冲星电流电路闭合。
2012-08-31 astro-ph.HE astro-ph.SR
The pulsar force-free magnetosphere linked to its striped wind: time-dependent pseudo-spectral simulations
脉冲星活动及其辐射机制通常是通过磁层内的等离子体过程来解释的。尽管有许多详细的局部研究，这些中子星周围的整体电动力学仍然很难描述。要更好地了解这些紧凑的物体，需要深入和准确地了解它们在磁层内的直接电磁环境及其与相对论脉冲星风的联系。这项工作的目的是提出精确的解决方案，几乎静止的力免费脉冲星磁层和它的链接到条纹风，为各种自旋周期和任意倾角。为此，与时间相关的麦克斯韦方程组求解在球形几何中的力的近似使用矢量球谐电磁场的展开。用投影法得到了磁部分无发散性的精确解析表达式。特别注意设计一个算法，能够深入到磁层与物理现实的比例恒星$R_*$光柱$\rlight$半径。我们检查了我们的代码与几个分析解决方案，如Deutsch真空转子解决方案和Michel Einfield。我们还检索能量损失的磁偶极子辐射公式和以前类似的作品相一致。最后，对于任意的双折射率，我们给出了系统总电荷的表达式。它不为零，除了垂直旋转体。这是由于位于中子星中心的点电荷经常被忽视。这是值得怀疑的，如果这样的解决方案与巨大的电荷可能存在于现实中，除了配置接近正交旋转。电荷在星壳上的分布并不是一个常被假设的可调参数。
2012-05-04 astro-ph.HE
Note on Bunching of Field Lines in Black Hole Magnetospheres
对高自旋下Blandford-Znajek能量提取的数值模拟表明，磁力线在事件视界的极点附近倾向于聚束。我们表明，这种行为可以从固定的功能依赖于电流和磁场线旋转的假设解析磁通量。这个论证主要依赖于Znajek条件的存在，它提供了关于视界上的场的非平凡信息，而不需要完全的无力解。我们还提供了一些新的解析表达式的抛物型场位形。
2015-09-11 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Alfvénic superradiance for a monopole magnetosphere around a Kerr black hole
本文在无力近似下研究了轴对称旋转Kerr黑洞磁层中Alfvén波的超辐射。在Kerr时空的赤道平面上，通过分离波函数的变量和引入乌龟坐标，将Alfvén波方程化为一维Schrödinger型方程，并研究了Alfvén波的散射问题.对波动方程的渐近解和朗斯基守恒的分析给出了阿尔芬波的超辐射条件，并将证明该条件与Blandford-Znajek过程的条件一致。这意味着当阿尔夫文超辐射发生时，布兰德福德-兹纳杰克过程也发生在无力磁层中。然后，我们数值计算了阿尔文波的反射率，并证实了阿尔文超辐射在克尔时空中确实是可能的。此外，我们还将讨论阿尔文波的共振散射，这与磁层的“准正规模”有关。
2022-03-11 astro-ph.HE gr-qc
Dissipation, Energy Transfer, and Spindown Luminosity in 2.5D PIC Simulations of the Pulsar Magnetosphere
我们执行2.5维轴对称模拟的脉冲星磁层（对齐的偶极旋转器）使用电荷守恒，相对论，电磁粒子在细胞代码PICsar。单元粒子程序是研究脉冲星磁层的有力工具，因为它能处理无力和真空的极限，并能自洽地处理磁重联。在整个磁层的致密等离子体的限制，我们的解决方案是无处不在的力自由制度，除了耗散区域的极冠，在电流层，并在Y点。这些耗散区域自洽地出现，因为我们在代码中没有任何显式耗散。电磁自旋下降光度的最小值$ \approx 15-20\%$被转移到5个光柱半径内的粒子。然而，如果外磁层中没有足够的等离子体来屏蔽平行于磁场的电场分量，则粒子可以携带多达$\gtrsim 50 \%$的自旋亮度。实际上，粒子携带的自旋下降光度的分量可以作为伽马射线辐射，但高频同步辐射需要在我们的模拟中作为亚网格过程实现，并且不存在于当前的运行套件中。在我们的模拟中，自旋下降光度值在无力值的$\approx 10\%$范围内，磁层中电磁场的结构与无力模型基本一致。
2015-02-04 astro-ph.HE
General-relativistic force-free pulsar magnetospheres
脉冲星磁层是由超相对论电子/正电子等离子体在强磁场中流动并受到强引力场的影响而形成的。前者感应出磁层电流和空间电荷，导致基于纯电动力学的电磁场失真。后者基于时空曲率在这些场中引起其他扰动。无力近似描述了磁层对电流和电荷的响应，许多作者对此进行了研究。在这种情况下，广义相对论很少被讨论来量化它对中子星电动力学的影响。这是本文的目的是计算广义相对论无力脉冲星磁层的实际磁场配置，如倾斜偶极子。我们进行了随时间变化的模拟麦克斯韦方程组在3+1形式的一个固定的背景度量在慢旋转近似。我们计算了与~ $R/\rlight$比值和自旋参数~ $\as$有关的坡印廷通量，$R$是中子星半径，$\rlight$是光柱半径。这两种效应共同作用，使远距离观测者看到的总坡印廷通量增加约2倍，这取决于旋转速率。此外，我们检索的$\sin^2χ$依赖于这个光度，$χ$是脉冲星的光度，以及制动指数接近$n=3$。我们还表明，坡印廷通量的角度依赖性的尺度一样，$\sin^2\vartheta$的对齐旋转，但像$\sin^4\vartheta$的正交旋转，$\vartheta$是余纬度。
2015-11-04 astro-ph.HE
Force-free electrodynamics near rotation axis of a Kerr black hole
尽管它们对于理解天体物理学喷流具有潜在的重要性，但克尔黑洞周围磁层的物理上现实的精确解还没有找到，即使在无力近似下。相反，近似的分析解决方案，如Blandford-Znajek（分裂），以及数值解，已被构造。在本文中，我们考虑一种新的方法来分析和建设这样的磁层。我们考虑无力电动力学靠近磁层的旋转轴周围的克尔黑洞假设轴对称。这是无力近似应该工作得最好的区域，也是射流所在的区域。我们进行了系统的研究（分裂）抛物面，抛物面和垂直渐近行为的渐近区域。施加类似于（分裂）的渐近性，我们发现在某些假设下，要求在旋转轴和事件视界的规律性限制流方程的解决方案这么多，它是不可能的解决方案是连续连接到静态（分裂）的史瓦西黑洞周围的旋转极限为零。一方面，这一结果为文献[1]中Blandford-Znajek（split-）算子的渐近性所发现的问题提供了独立的证据。另一方面，我们也指出了我们的论点中可能的警告，人们可以想象地利用修改的布兰德福德-Znajek（分裂）的微扰建设。
2020-01-30 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Axisymmetric force-free magnetosphere of a pulsar. II. Transition from the self-consistent two-fluid model
考虑脉冲星磁层的自洽双流体模型。我们集中讨论粒子惯性极小的情况。我们的方法允许获得现实的粒子分布维持力自由磁场配置的单极结构。这一结果与无质量粒子的径向光速运动的通常图象有很大的不同。在我们的例子中，电子和正电子成分遵循略微弯曲的轨迹，并以确定的数量密度和不同的速度为特征。速度漂移由一阶纵向电场决定，它是自洽双流体模型的必要组成部分，并暗示了逆粒子质量阶的平行电导率。我们的模型被认为是一个适当的背景下，描述脉冲星磁层的辐射过程，包括无线电和高能辐射。速度的变化是暗示的双流不稳定性，这可能是脉冲星无线电发射机制的基础。粒子流的差动旋转可能会导致二极管管不稳定性，而二极管管不稳定性可能是导致射电亚脉冲现象的原因。还预测了射电和射电星高能辐射之间的联系。
2014-10-30 astro-ph.HE
Time-Dependent 3D Magnetohydrodynamic Pulsar Magnetospheres: Oblique Rotators
目前脉冲星磁层模型的最新发展是假设磁层等离子体的无力极限。该极限仅保留了等离子体速度的部分信息，忽略了等离子体惯性和温度。我们进行了与时间相关的三维相对论磁流体动力学（MHD）模拟倾斜脉冲星磁层，通过保留完整的等离子体速度信息和捕获强电流层中的等离子体加热来改善无力。我们发现相当低的磁层耗散水平，不到10%的脉冲星自旋能量耗散在几个轻圆柱半径，和MHD自旋是一致的，在力自由。虽然倾斜磁层在性质上类似于大半径下的旋转分裂磁层无力解，但我们发现与分裂磁层有实质性的定量差异，例如，脉冲星风的光度在赤道上比分裂风更集中，在高光度时，气流的速度被指向电流片的重联流的出现所改变。
2013-06-04 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Global current circuit structure in a resistive pulsar magnetosphere model
脉冲星的磁层有很强的磁场和大量的等离子体。这些磁层的结构进行了研究，使用无力电动力学。为了理解脉冲星的磁层，讨论必须包括其外部区域。然而，无力电动力学是有限的，因为它不处理耗散。因此，需要一个电阻性脉冲星磁场模型。为了打破理想的磁流体动力学（MHD）条件$E \cdot B = 0$，使用欧姆定律。在这项工作中，我引入电阻率依赖于距离恒星，并获得一个自洽的稳态时间积分。磁层中形成极向电流回路，同时环向磁场区域扩展到光柱之外，出现坡印廷通量辐射。高电阻率导致大的空间尺度的极向电流电路和磁层辐射的坡印亭通量大于线性增加以外的轻圆柱半径。所形成的极向电流回路具有宽度，该宽度随着电导率而增长。这一结果有助于建立一个更具体的耗散脉冲星磁层模型。
2017-11-19 astro-ph.HE
The Appearance of a Radio-Pulsar Magnetosphere from a Vacuum with a Strong Magnetic Field. Motion of Charged Particles
研究了表面磁场为B~10 ^12 G的中子星真空磁层中电子和正电子的运动。在磁层中产生的粒子或从外部落入磁层的粒子几乎瞬间被加速到洛伦兹因子γ~10 ^8。穿过无力面后，电场在磁场上的投影消失，粒子开始经历超相对论振荡。粒子在振荡运动的同时，沿无力面作有规律的漂移。
2010-12-16 astro-ph.HE astro-ph.SR
An Alternative Numerical Method for the Stationary Pulsar Magnetosphere
在无力系统中，静止的脉冲星磁层由脉冲星方程控制。1999年，Contopoulos、Kazanas和Fendt（以下简称CKF）数值求解了脉冲星方程，并得到了一个脉冲星磁层模型，称为CKF解，该解具有闭合和开放的磁场线。CKF解是一个成功的解，但它包含一个沿最后一条开磁力线流动的极向电流片。此当前工作表是人为添加的，以使当前系统关闭。在本文中，我们提出了另一种方法来解决脉冲星方程和构建脉冲星磁层模型没有电流片。在我们的方法中，脉冲星方程被分解成安培定律和无力条件。我们数值求解这些方程同时与一个固定的极向电流。结果得到了一个不含电流片的脉冲星磁层模型，它类似于中子星附近的CKF解，在极附近具有类似喷流的结构。此外，我们讨论了模型的物理性质，并发现，由于耗散，这是隐含在数值方法中的无力条件打破了在附近的轻圆柱。
2013-10-21 astro-ph.HE
The force-free twisted magnetosphere of a neutron star - II: Degeneracies of the Grad-Shafranov equation
我们扩展了我们以前对中子星非旋转无力磁层平衡解的研究。我们发现，多个解决方案存在相同的参数集，这意味着解决方案是退化的。我们能够获得配置断开的场线，然而，在几乎所有的情况下，这些对应于退化的高能量的解决方案。我们进行了广泛的参数搜索，以了解解决方案的属性。我们证实了我们以前的结果，较低的能量解决方案有高达$\sim 25\%$更多的能量比真空的情况下，螺旋度的顺序$\sim 5$（在一些定义的单位），最大扭曲$\sim 1.5$拉德，和偶极子的强度是高达$\sim 40\%$大于真空偶极子。包括退化的较高能量的解决方案允许更大的理论极限高达$\sim 80\%$更多的能量相对于真空的情况下，螺旋度的顺序为$\sim 8$，和偶极子强度，现在可以高达四倍的真空偶极子，而扭曲可以显着更大，甚至发散的配置与断开域。高能解可能是不稳定的，因此，在正常条件下磁星和高磁场星体中不可能存在这样的磁层。
2018-10-10 astro-ph.HE
Modelling 3D Force-Free Neutron Star Magnetospheres
磁星以爆发、爆发和巨型耀斑的形式表现出各种瞬态高能现象。人们普遍认为，这些事件起源于由于扭曲的磁场重新排列而导致的磁能的突然释放。我们提出了一个3D的力免费（FF）非线性扭曲磁星磁层的全球模型。我们解决FF方程的Grad-Rubin方法在一个紧化的球形区域。对电流分布和磁场在恒星表面施加适当的边界条件。我们的实现进行了测试，通过复制各种已知的分析以及轴对称的数值结果。然后，我们继续研究一般的3D模型与非轴对称的电流分布，如具有局部扭曲，类似热点在恒星表面的字段，我们检查的特征量，如能量，螺旋度和扭曲。最后，我们讨论了可用的能量预算，表面温度和扩散时间尺度，这可以与观测的影响。
2023-03-21 astro-ph.HE
Radiative Back-Reaction on Charged Particle Motion in the Dipole Magnetosphere of Neutron Stars
本文研究 Schwarzschild 时空偶极磁层中辐射反作用对带电粒子圆轨道和混沌轨道的影响，揭示吸引与排斥 Lorentz 力下的坠落、变宽及临界纬度规律。
2024-12-06 astro-ph.HE gr-qc
Force-free wave interaction in magnetar magnetospheres: Computational modeling in axisymmetry
本文通过轴对称无力电动力学模拟研究磁星磁层中阿尔芬波与快磁声波的相互作用，揭示其转换机制、效率及对快速射电暴等观测现象的潜在意义。
2024-09-04 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
From Størmer to Schwarzschild: Analytical Dynamics of Charged Particles in a Dipole Magnetosphere
Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço（太空天文与科学研究所）；Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa（里斯本大学理学院）；Departamento de Física, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa（里斯本大学理学院物理系）；Babeş-Bolyai University（巴比什-博尧伊大学）；Astronomical Observatory（天文台）
该研究构建经典斯特默问题的相对论扩展，解析研究史瓦西时空中偶极磁层内带电粒子的圆轨道稳定性等，为致密天体磁层相关研究提供解析基础。
2026-08-05 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Radiative pulsar magnetospheres: aligned rotator
无力的中子星磁层现在是众所周知的，并通过数值模拟发现。甚至最近还实现了对广义相对论的扩展。然而，根据定义，这些解决方案是无耗散的，这意味着恒星无法加速粒子并让它们辐射任何光子。有趣的是，无力模型没有自由参数，但它必须由等离子体内的耗散机制取代。在本文中，我们调查的磁层电动力学的粒子运动的辐射反应制度，使用的限制，加速度是完全平衡的辐射，也被称为阿斯特丽德动力学。导出了欧姆定律，由此耗散率由依赖于对重数~ $κ$的单参数解族控制。从模拟中发现耗散区的空间延伸是自洽的。我们表明，辐射磁层的对齐的转子往往无力制度时，对多重性变得适度大，$κ\gg 1$。然而，对于低的多重性，自旋下降的能量的相当大的一部分进入粒子加速和辐射除了坡印亭通量，后者仍然只占主导地位的大多重性。我们表明，在等离子体上所做的工作主要发生在赤道电流片外的光柱。
2019-10-22 astro-ph.HE
Radiative pulsar magnetospheres: oblique rotators
脉冲星的磁层充满了相对论对，它们从射电波长中大量发射光子，能量高达GeV，有时在TeV范围内。高效的粒子加速将恒星旋转动能转化为无线电、X射线和伽马射线光子。没有力的磁层没有耗散，不能进行这种转换。某些非理想的等离子体效应必然会在磁层中产生。在本文中，我们计算脉冲星辐射磁层的辐射反应极限，辐射完全平衡单粒子加速度的数值解。使用适当的欧姆定律，耗散仅由对多重性因子~ $κ$控制。此外，我们允许一个最小的辐射区域，其中仅在需要时添加耗散，或者允许一个无外力的内部辐射外部模型。这种方法自然地和自洽地将粒子动力学与其在超相对论性区域中的辐射场联系起来。我们的解决方案倾向于适度大的多重性，$κ\gg 1$，减少自旋向下的能量转化为辐射的无力限制。然而，对于足够低的多重性$κ\lesssim1$，一个显着的部分自旋下降的能量流入辐射通过粒子加速。电磁场对等离子体所作的功主要发生在光柱外的条纹风的电流片中。然而，无论模型如何，对磁拓扑结构的影响都可以忽略不计。因此，如图所示，相关的天空图和光变曲线仅受到微弱的影响。
2022-02-25 astro-ph.HE
