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
Gamma-Ray Light Curves from Pulsar Magnetospheres with Finite Conductivity
利用三维有限电导率脉冲星磁层模型研究了γ射线脉冲星光变曲线的形状。这些模型，涵盖了整个频谱之间的真空和力免费磁层的解决方案，第一次提供映射的GeV发射更现实的，耗散的脉冲星磁层。为此，我们产生模型光变曲线以下两种不同的方法：（a）我们采用的发射模式的槽和外间隙模型的磁场几何形状的磁层具有不同的电导率σ。(b)我们定义了不同σ的磁层中辐射粒子的实际轨迹，计算了它们在磁层电场和曲率辐射反应影响下的洛伦兹因子，并据此计算了辐射强度。由这些处方得到的光变曲线对σ值非常敏感，特别是在第二种方法中。虽然这些结果仍然不自洽，但在理解脉冲星γ辐射的物理学方面向前迈出了一步。
2012-05-25 astro-ph.HE
Near-horizon structure of escape zones of electrically charged particles around weakly magnetized rotating black hole. II. Acceleration and escape in the oblique magnetosphere
强引力和磁场是驱动致密天体附近吸积和抛射过程的关键因素。虽然这里的具体机制仍在讨论中，但有序磁场的存在似乎对超视界长度尺度上带电粒子的相对论喷流的加速和准直至关重要。在此背景下，我们进一步研究了大尺度磁场对旋转黑洞附近带电粒子动力学的影响。我们考虑一种情况，其中赤道平面中规则测地线轨道上的初始中性粒子通过充电过程而不稳定（例如，通过光电离）。一些带电粒子被加速到赤道平面之外，它们以相对论速度沿着类似射流的轨迹运动。在我们之前的论文中，我们研究了磁场与旋转轴完美对齐的情况下的这种情况;即，该系统被认为是轴对称的。在这里，我们放松这一假设，并调查非轴对称系统中的磁场是任意倾斜的黑洞自旋。我们研究了系统的数值计算，以确定区域的逃逸轨迹和计算的最大（终端）逃逸速度。看来，打破轴对称（即使是小倾角）大大增加逃逸轨道的分数，并允许加速到超相对论速度，被排除在轴对称设置。在相对论外流的发射区域中存在瞬态混沌动力学与混沌指标确认。
2020-09-01 astro-ph.HE
Time Evolution of Pulsar Magnetosphere I - An Implicit Approach
我们采用一种计算效率高的技术来验证脉冲星磁层的全球结构。在这第一个一系列的研究，一个三维的，计算密集型，隐式Crank-Nicolson有限差分格式的开发。在无力电动力学的近似下，推导了磁影响区。本文的主要目的是提出我们的代码，并使用它来证明和验证现在被广泛接受的脉冲星磁层的全球功能。我们的结果定性同意与以前开发的时间依赖模型的斜转子。与早期的研究一致，我们还证明了我们的模拟可以运行许多恒星旋转。一旦我们扩展我们的代码，我们相信，我们的隐式方法可以是非常有用的调查磁层充满电阻等离子体，开发更好的分辨率电流片和调查小规模的微观物理对创建使用粒子在细胞技术。
2018-04-20 astro-ph.HE
Modeling gamma-ray light curves with more realistic pulsar magnetospheres
我们研究了耗散脉冲星磁层中的γ射线辐射模式和光变曲线。我们用几何方法和粒子轨道方法产生γ光变曲线。对于几何方法，假设γ射线发射起源于沿最后闭合线的有限宽度层，我们生成的γ射线光变曲线的基础上的均匀发射率沿磁场线的共动框架（CF）。对于粒子轨道法，我们考虑的电导率$σ$的空间分布，假设一个非常高的电导率内的轻圆柱和有限的电导率外的轻圆柱（LC）。假设所有的$γ$射线发射起源于外磁层外的LC，我们产生的伽马射线光变曲线计算现实的粒子轨迹和洛伦兹因子，同时考虑加速电场和曲率辐射损失。此外，我们比较了船帆座脉冲星在$>0.1\, \rm GeV$能量下的光变曲线。结果表明，磁层$σ$值较低的区域更适合于几何方法。然而，磁层内的LC和一个高的$σ$值外的LC的近无力制度是更有利于粒子轨道方法。注意，粒子轨迹方法使用与磁层的磁场自洽的平行电场。我们认为，从粒子轨道法的结果更支持的物理基础。
2019-03-26 astro-ph.HE
Testing dissipative magnetosphere model light curves and spectra with FERMI pulsars
我们探索了Kalapotharakos等人（2014）引入的耗散脉冲星磁层模型的发射特性，将其高能光变曲线和光谱与费米LAT收集的数据进行了比较。磁层结构被假定为接近无力解。假设光圆柱内部的加速电场可以忽略不计，而光圆柱外部的加速电场则以有限的电导率（σ）重新缩放。在我们的方法中，我们计算出相应的高能量的发射，通过整合的轨道的测试粒子，起源于恒星表面，同时考虑到加速电场分量和辐射反作用力。首先，我们探索的参数空间假设不同的值集的恒星磁场，恒星周期和电导率。结果表明，该模型的一般性质与观测到的年轻γ射线双星的发射特性，包括相位分辨谱的特征，符合得很好。其次，我们找到模型参数，适合每个脉冲星属于一组的八个明亮的恒星，有一个公布的相位分辨光谱。最能描述这一组中每个脉冲星的σ值显示出随着自旋下降速率$(\dot{E})$的增加而增加，随着脉冲星年龄的减少，如果成对级联提供磁层电导率的话。最后，我们探讨了我们的分析的局限性，并提出了未来改进此类模型的方向。
2015-03-02 astro-ph.HE
Diocotron Modes in Pulsar Magnetospheres: Charge Diffusion and Implications for Radio Emission Variability
Princeton University（普林斯顿大学）
通过三维粒子网格模拟研究脉冲星磁层中非轴对称的diocotron不稳定性，发现其产生稳定的m=1模式，驱动跨场扩散并调制极盖电势降和发射束角，与脉冲星消零、周期幅度调制和漂移子脉冲等变化性相关。
2026-10-15 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
Three-dimensional GRMHD simulations of neutron star jets
本研究首次开展倾斜磁层吸积中子星的三维GRMHD模拟，揭示了中子星喷流的形成机制、功率与磁倾角的关系及强螺旋桨态下的带状喷流特征，填补了中子星喷流数值研究的空白。
2023-12-14 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
Exploring the energy-dependent radiation properties in dissipative magnetospheres with Fermi pulsars
根据最近的数值模拟结果，认为光柱外的赤道电流片是高能辐射的最有希望的位置。我们利用FIDO磁层曲率辐射计算方法研究了脉冲星的光变曲线和能谱。用谱算法构造了在LC内部具有近无力区而在LC外部具有有限但高电导率的FIDO磁层。通过对加速电场和曲率辐射损失影响下的粒子轨道积分，研究了脉冲星高能辐射特性。作为应用，我们将预测的光变曲线和能谱与Fermi 2PC星表中的蟹状星云和船帆座星云的光变曲线和能谱进行了比较。我们发现，用FIDO模型可以很好地再现蟹状星云和船帆座星云的光变曲线和能谱的观测特征。
2021-01-12 astro-ph.HE
Gamma-Ray Emission in Dissipative Pulsar Magnetospheres: From Theory to Fermi Observations
本文计算了耗散脉冲星磁层中曲率辐射引起的$γ$射线辐射模式。我们的最终目标是构建宏观物理模型，能够再现最近发表在第二费米脉冲星目录中的观测到的$γ$射线光变曲线现象。我们应用特定形式的欧姆定律上的开放场线使用广泛的宏观电导率值，导致解决方案的范围，从近真空到近无力。利用这些解，我们通过计算辐射粒子在加速电场和曲率辐射反应的影响下的实际轨迹和洛伦兹因子，生成了模型$γ$ -射线光变曲线。我们进一步限制我们的模型使用观测到的依赖性的相位滞后之间的无线电和$γ$射线发射的$γ$射线峰分离。我们进行统计比较我们的模型的无线电滞后与峰分离图和一个得到的费米标准双光子晶体。我们发现，在整个开放的磁场线区域的均匀电导率的模型，与观测的协议有利于更高的值，这个参数。然而，我们发现，在拟合数据与模型，采用混合形式的导电性显着改善;具体而言，无限的导电性内部的光圆柱和高，但有限的导电性的外部。在这些模型中，$γ$射线的发射产生在赤道电流片附近的区域，但由当地的物理性质调制。这些模型具有接近观测值的辐射滞后，并且在统计上最好地再现了观测到的光变曲线现象。此外，这些模型产生GeV光子截止能量。
2014-07-27 astro-ph.HE hep-ph
From Feast to Famine: A Systematic Study of Accretion onto Oblique Pulsars with 3D GRMHD Simulations
本研究首次利用三维广义相对论磁流体动力学模拟，系统探讨了中子星磁场强度与倾斜度对吸积过程及喷流功率的影响，发现相对极性和倾斜度共同决定喷流功率变化趋势。
2023-11-15 astro-ph.HE
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
Ab initio simulations of neutron stars' oblique electrospheres with realistic neutron star parameters
本文开发了Pulsar ARoMa代码，首次用真实中子星参数模拟倾斜电球层，发现其整体结构与对齐无力电球层相似但解不满足无力行为。
2024-02-27 astro-ph.HE
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
Polar caps in the presence of an induction field
在Goldreich & Julian（1969）的早期论文之后，极帽模型通常假设脉冲星磁层的闭合扇区与中子星同步旋转。Melrose & Yuen最近的工作提醒人们，在倾斜旋转器中，由时变磁通量密度引起的感应场不能被完全屏蔽。主要的结果是等离子体不与恒星共转。在这里，它表明，在无线电发射源的高度，极冠的物理学是不会改变的。但是，在共转参照系中等离子体漂移速度的存在确实提供了一种机制，使恒星的净电荷能够保持在一个稳定的值带内。它还直接显示了电子注入和加速如何发生在磁层的外部间隙。这与费米LAT目录中的伽马发射体都具有正极冠电荷密度的射电大射电望远镜是一致的。
2015-08-14 astro-ph.HE
Non-corotating models for pulsar magnetospheres
本文重新考虑了斜转脉冲星的电动力学，提出了一种综合真空偶极模型和旋转磁层模型的方法。我们首先通过假设感应电场的平行分量被电荷屏蔽来修改VDM。我们将得到的模型称为极小模型。计算了极小模型中的屏蔽电荷密度，并与RMM中的Goldreich-Julian电荷密度进行了比较。我们确定的极小模型中的等离子体的速度作为电漂移速度，由于感应电场的垂直分量。我们定义了一类合成模型的分数$y$倍的极小模型和$1-y$倍的RMM的线性组合。这些模型要求在共转的恒星表面和非共转的磁层之间有一个间隙（用$E_\parallel\ne0$）。我们提出了说明性的绘图的电荷密度，零点的位置（其中的电荷密度为零）和作为相对于旋转轴的角度（$θ,ψ$）的函数的等离子体速度的三个组件，对于特定值的结晶度$α$和参数$y$。我们讨论的问题“任何脉冲星磁层可以共转？“关键的是，指出了在极冠地区建立共旋的困难。我们推测，共转等离子体可能从闭场区流过最后一条闭场线。我们认为，自旋下降率的突然变化，在某些星系可能是由于RMM和极小模型之间的跳跃。
2013-10-03 astro-ph.HE astro-ph.SR
Fermi Gamma-Ray Pulsars: Understanding the High-Energy Emission from Dissipative Magnetospheres
基于费米观测数据，我们揭示了耗散脉冲星磁层模型的宏观电导率$(σ)$对相应的自旋下降率$\dot{\mathcal{E}}$的依赖性的有意义的限制。我们的模型是FIDO（内部无力，外部耗散）模型的改进，其耗散区域被限制在光柱外的赤道电流片上。考虑到所观测到的所有费米夸克的截止能量，并假设a）相应的$γ-$射线脉冲发射是由于辐射反应极限区的曲率辐射，b）这种发射是在光柱附近的赤道电流片处产生的，我们证明了\emph{Fermi}数据提供了关于相应的加速电场分量的清晰指示。\emph{Fermi}截止能量和模型能量之间的直接比较表明，对于高$\dot{\mathcal{E}}$值，$σ$随$\dot{\mathcal{E}}$增加，而对于低值，$σ$饱和。该比较还表明，相应的间隙宽度向低$\dot{\mathcal{E}}$值增加。假设发射粒子的Goldreich-Julian通量，我们计算总的$γ-$射线光度$(L_γ)$。费米$L_γ$ -值和模型值对$\dot{\mathcal{E}}$的依赖性之间的比较表明，发射粒子多重性随着$\dot{\mathcal{E}}$的增加而增加。我们的建模指导下的\emph{Fermi} -数据单独，增强了我们的理解背后的脉冲星磁层的高能发射的物理机制。
2017-05-07 astro-ph.HE
Time evolution of pulsar obliquity angle from 3D simulations of magnetospheres
由于电磁转矩对角动量的提取，孤立双星的旋转周期随时间增加。这些扭矩也改变了磁轴和旋转轴之间的平行度角$α$。虽然实际的脉冲星磁层是充满等离子体的，但$α$的时间演化主要是在真空脉冲星磁层中研究的。在这项工作中，我们自洽帐户的等离子体效应的第一次通过分析的结果，随时间变化的3D力自由和磁流体动力学模拟脉冲星磁层。我们表明，如果一个中子星是球对称的，并嵌入一个偶极磁矩，脉冲星的演变，以尽量减少其自旋的亮度：真空和等离子体填充的脉冲星演变的对齐配置（$α=0$）。然而，它们以不同的方式处理对齐。真空泵以指数级的速度对准，具有$α\propto \exp(-t/τ)$和$τ\sim$自旋下降时间尺度。相比之下，我们发现充满等离子体的光子晶体与$α\propto (t/τ)^{-1/2}$的排列要慢得多。我们认为，缓慢的时间演化的等离子体填充的类星体的结晶度可以潜在地解决几个观测难题，包括正常类星体的起源与周期的$\sim1$秒，斜类星体进入对齐的证据超过了$\sim 10^7$年的时间尺度，和观察到的赤字，相对于各向同性的结晶度分布，类星体显示脉冲间发射。
2014-05-03 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Simulations of the magnetospheres of accreting millisecond pulsars
吸积双星为相对论喷流提供动力，并表现出复杂的自旋现象。这些行为可能与恒星磁场的大尺度结构密切相关，这种结构是由恒星与周围吸积盘的相互作用形成的。在这里，我们提出了第一个相对论模拟的脉冲星磁层吸积流的相互作用。我们的轴对称模拟治疗的磁层，或日冕，区域使用电阻扩展的无力电动力学。磁场也在圆盘内部演化，圆盘是使用α圆盘模型发现的具有指定速度场和电导率分布的限定体积。我们研究了一系列的光盘α参数，厚度，磁普朗特数，和内部截断半径。我们发现，在脉冲星的封闭区的磁通量的一个大的部分是开放的入侵的磁盘，导致增强的功率提取的脉冲星风和自旋施加到脉冲星的扭矩。在我们的模拟中，大部分的自旋下降贡献的恒星扭矩作用在开放的场线。在模拟的长期准稳态中，场线开放的效率很高，这意味着毫秒脉冲星的电磁风可能足够强，可以为观测到的中子星射电喷流提供动力，并可能显着影响脉冲星的自旋演化。
2017-06-19 astro-ph.HE
Multi-wavelength emission in resistive pulsar magnetospheres
Université de Strasbourg, CNRS, Observatoire astronomique de Strasbourg（斯特拉斯堡大学、法国国家科学研究中心、斯特拉斯堡天文台）
研究通过电阻性模型分析脉冲星磁层对多波长辐射特性的影响，揭示了电阻率对γ射线脉冲轮廓和X射线特性的影响，为理解磁能转化提供新视角。
2025-12-11 astro-ph.HE
Analytic properties of force-free jets in the Kerr spacetime -- II
重新研究了Kerr黑洞周围稳定轴对称无力磁层的结构。BH磁层结构由二阶微分方程$A_ϕ$控制，该方程取决于两个“自由”函数$Ω$和$I$，其中$A_ϕ$是电磁场矢量势的$ϕ$分量，$Ω$是磁场的角速度，$I$是极向电流。而两个函数$Ω$和$I$不是任意给定的，需要与微分方程一起自洽地确定。本文在文献I \citep{Pan2015a}中提出的微扰方法的基础上，自洽地整理出控制$Ω$和$I$的两个边界条件，并对这些条件进行了数学和物理上的解释。利用边界条件，我们证明了所有穿过无限红移面的磁场线也穿过事件视界。此外，我们认为BH迈斯纳效应在无力磁层中不起作用，因为磁层具有理想的导电性。
2015-11-25 astro-ph.HE
New Electrodynamics of Pulsars
我们最近提出，无力电动力学（FFE）并不适用于超导体-超导体应描述的强场电动力学（SFE），它预测的顺序单位阻尼的坡印亭通量的高电导率限制，而FFE假设零阻尼。强阻尼的结果并没有被一些脉冲星专家所接受，他们声称FFE基本上是工作的，坡印亭磁通阻尼可以任意小。这里我们考虑一个思想实验--圆柱周期脉冲星。我们表明，FFE是无法描述这个对象，而SFE的预测是物理上合理的。FFE的本征击穿应该意味着FFE对奇异电流层（FFE和高电导率SFE唯一不同的磁层区域）的描述是不正确的。因此，高电导率超临界流体场理论也应该是真实电子的正确理论，而电子的纯FFE描述应该被抛弃。
2011-11-14 astro-ph.HE
A phase-resolved Fermi-LAT analysis of the mode-changing pulsar PSR J2021+4026 shows hints of a multipolar magnetosphere
本研究利用13年多Fermi-LAT数据相位分辨分析射电宁静脉冲星PSR J2021+4026的模式变换，证实2020年新变换，发现流量与能谱、脉冲轮廓的关联，提出含四极分量的多极磁层模型解释多波段变率。
2024-03-12 astro-ph.HE
Spindown of Pulsars Interacting with Companion Winds: Impact of Magnetospheric Compression
本研究利用PIC模拟量化伴星星风压缩磁层对脉冲星自转减慢的影响，并据此约束双脉冲星PSR J0737-3039的表面磁场。
2024-07-06 astro-ph.HE
