Time-dependent pair cascades in magnetospheres of neutron stars I. Dynamics of the polar cap cascade with no particle supply from the neutron star surface
我认为，电磁驱动的电子-正电子级联在中子星的磁层的问题，必须解决从第一性原理。我描述了一个一般的数值算法做自洽的动力学模拟的电子-正电子级联-其中粒子加速，对创建和筛选的电场同时计算-并将其应用到模型的鲁德曼和萨瑟兰级联在一个维度。我发现电子对的产生是相当有规律的，而且是准周期性的。在每个循环中，都会产生一团超相对论性的电子-正电子等离子体，它传播到磁层中，留下一个相对论性较低的等离子体尾部，当这个温和的相对论性等离子体离开极冠时，下一次放电发生。当加速电场被屏蔽并且不产生电子对时，电子对形成的短突发之后是较长的安静阶段。一些新注入的电子-正电子对被困在等离子体振荡中，产生了一群低能粒子。级联很容易调整到脉冲星磁层所需的电流密度，通过逆转一些低能粒子。每一次放电都产生一个强相干超光速静电波，这可能与脉冲星射电辐射问题有关。
2010-09-01 astro-ph.HE
Electrodynamics of axisymmetric pulsar magnetosphere with electron-positron discharge: a numerical experiment
我们提出了第一个自洽的全球模拟脉冲星磁层与操作$e^\pm$放电。我们专注于一个简单的配置对齐或反对齐的转子。恒星从零（真空）状态旋转到一个高的角速度，我们跟踪其外部电磁场和等离子体粒子的耦合演化的“粒子在细胞”的方法。等离子体磁层开始通过从恒星提取粒子而形成;这些粒子被旋转感应电场加速，产生曲率辐射并点燃$e^\pm$放电。我们跟踪系统的演变几个革命周期，比达到准稳态所需的时间更长。我们的数值实验把测试以前的想法等离子体流和脉冲星磁层的差距。我们首先考虑能够通过光子-光子碰撞产生光子对的旋光器。我们发现，它们的磁层是类似于先前获得的力与电流片和Y点附近的轻柱的解决方案。磁层不断地喷发出$e^\pm$对和离子。电子对的产生由沿电流片的强电场维持。我们观察到强大的曲率和同步辐射的电流片，符合费米观测的伽玛射线双星。然后，我们研究了只能在中子星附近的强场区域中产生对的中子星，这些中子星正好在光柱内部。我们发现，无论是对齐和反对齐的转子放松到“死”的状态与抑制对创建和电流，无论放电电压。
2014-10-27 astro-ph.HE
Particle-in-cell simulations of the twisted magnetospheres of magnetars
磁星的磁层被认为充满了由放电产生的电子-正电子等离子体。我们提出了第一个直接的数值实验，显示如何创建等离子体在轴对称封闭磁层。$e^\pm$放电的发生是由于磁星表面的剪切变形导致磁场扭曲，从而向磁层发射电流。模拟显示了具有未屏蔽电场（$\mathbf{E}\cdot \mathbf{B}\neq 0$）的电“间隙”的形成，该电场沿着磁场线持续加速粒子并维持对的产生。加速电压自调节到$e^\pm$放电的阈值。它控制着能量释放的速率和磁扭曲的寿命。该模拟跟踪了全球扭曲磁层在很长一段时间内的演化，并展示了其逐渐的电阻解扭曲。一个真空腔在恒星附近形成并膨胀，逐渐擦除磁层电流$j$。活跃的j束随着时间的推移而收缩，它的足迹在磁星表面形成收缩的热点，这些热点被所产生的粒子轰击。
2016-10-31 astro-ph.HE
Dark neutron stars
有很好的证据表明，电子-正电子对的形成是不存在的那部分脉冲星开放磁层的相干无线电发射的来源，但双光子对创建的可能性仍然在外部间隙。根据测量的整个表面温度，结合对伽马射线，X射线和光学光度的调查，表示每个主光束轻子，计算这个过程的过渡率表明，很少有费米LAT双星有显着的外隙对创建。对于具有正极冠共转电荷密度和离子质子等离子体的射电大射电恒星，必须有来自磁层其他部分的电子向外流动，以维持恒星上恒定的净电荷。在没有电子对产生的情况下，这个电流很可能是费米LAT观测到的GeV伽马发射的来源，其起源是在外隙区域。在负极冠共转电荷密度的情况下，在没有对产生的情况下，补偿电流可以仅由离子或质子组成。这些中子星可能是无线电宁静的，没有可观测到的伽马辐射，因此可以被描述为暗中子星。
2017-03-10 astro-ph.HE
Extremely efficient Zevatron in rotating AGN magnetospheres
建立了一个新的粒子在旋转活动星系核（AGN）磁层中加速的模型，粒子能量可以通过两步机制被提升到$10^{21}$ eV：第一步，朗缪尔波被离心激发并通过参量过程放大，有效地泵出旋转能，激发出静电场;在第二阶段，静电能通过朗道阻尼转换为粒子的动能，这是通过快速的“朗缪尔塌缩”实现的。参数泵浦的朗缪尔波的时间尺度原来是小的运动学的时间尺度相比，表明高效率的第一个过程。“朗缪尔坍缩”的第二个过程--洞穴或低密度区域的产生--也会在AGN磁层的特征参数下迅速发生。朗缪尔坍缩为电能的转移创造了合适的条件，将已经很高的粒子能量提升到更高的值。它进一步表明，各种能量损失机制是相对较弱的，并没有施加任何显着的限制最大可实现的能量。
2014-10-23 astro-ph.HE
Electrodynamics of pulsar magnetospheres
我们回顾了旋转磁化中子星的电动力学，从早期的真空模型到最近的等离子体填充磁层的数值实验。由于全球粒子细胞模拟的发展，捕获粒子加速，高能光子的发射和电子-正电子对的产生，取得了重大进展。数值实验从第一性原理展示了电隙如何以及在何处形成，并有望解释观测到的从无线电波到伽马射线的脉冲星活动。
2016-11-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electrodynamics and radiation from rotating neutron star magnetospheres
中子星是高速旋转的致密天体，其速度可达光速的很大一部分（毫秒级中子星可达20%），并拥有超强电磁场（接近或有时高于\numprint{4.4e9} ~ \SIunits{\tesla}的量子临界场）。此外，由于磁层内产生大量的$e^\pm$对，恒星周围的相对论性等离子体被迫共转，直到光柱，在那里共转速度达到光速。中子星的电磁活动是由它的自转驱动的，在这个光圆柱附近，它的自转变成了相对论性的。这些物体自然地在大约数千公里的宏观尺度上引起相对论性旋转，这是触发在地球上观察到的中央引擎的关键因素。在本文中，我们阐明了一些显着的特点，这种共转等离子体受到有效的粒子加速和辐射，强调几个问题和局限性，目前的理论中子星磁层。在这些系统中的相对论旋转是间接探测磁层内产生的辐射。根据粒子运动和辐射机制的基本假设，在它们的宽带电磁发射中，预期它们的光变曲线、光谱、脉冲轮廓和偏振角上会有不同的特征。我们表明，这些测量提出了严格的约束的方式来描述粒子电动力学在旋转的中子星磁层。
2020-01-10 astro-ph.HE
Numerical Construction of Magnetosphere with Relativistic Two-fluid Plasma Flows
我们提出了一个数值模型，其中冷对等离子体以相对论速度喷射通过极帽区域，并在光柱外几乎径向流动。稳态轴对称结构的电磁场和等离子体流的自洽计算。在我们的模型中，正、负电荷粒子的运动被假定为由电磁力和惯性项决定，没有对产生和湮灭或辐射损失。在不考虑理想MHD条件的情况下，利用麦克斯韦方程组计算了等离子体的密度和速度。数值计算结果表明，由于平行电场分量的存在，等离子体的加速和减速过程也随之发生。成功地建立了弱磁场或高相对论性流体速度，即动能占主导地位的外流的数值模型。结果表明，为了将本方法推广到坡印亭通量占主导的脉冲星磁层，还需要对边界条件和极盖等离子体注入模型进行适当的选择。
2009-05-21 astro-ph.HE
Theory of pulsar magnetosphere and wind
中子星是沉浸在强引力场和电磁场中的迷人天体，处于我们当前理论的边缘。这些恒星大多以类星体的形式出现，它们会适时地发出非常稳定和有规律的电磁信号。尽管它们在近50年前就被发现了，但它们仍然是神秘的致密恒星天体。本文综述了中子星磁层和风的最基本理论。主要的竞争模型容易解释他们的辐射特性，如多波长脉冲形状和光谱和基本的物理过程，如对创建和辐射机制进行了仔细检查。由于最近在最大规模的数值模拟方面取得的进展，一个全球性的但仍然相当定性的画面慢慢出现。然而，关于脉冲星磁层的考虑仍然是推测性的。例如，磁层等离子体的确切成分尚不清楚。它是仅仅充满了$e^\pm$ ~轻子的混合物，还是含有不可忽略的质子和/或离子？事实上，它是几乎完全充满或大部分是空的，除了一些小的轶事等离子体填充区域？对这些问题的回答将强烈地引导磁层的描述到看似矛盾的结果，有时导致不一致。尽管如此，帐户给出的最新发展，在脉冲星磁层和风理论，存在一个可能的电层和物理洞察力从相关的多波长脉冲发射的观测特征。
2016-08-17 astro-ph.HE
The Mysterious Magnetospheres of Magnetars
磁星是银河系中观测到的恒星质量范围内最明亮的致密天体，在银河系附近的三个软伽马中继站探测到了硬X射线功率约为10^45 erg/sec的巨型耀斑。磁星持续发射的周期性，以及独特的“自旋下降”延长这一周期，推动了强磁化中子星构成这些迷人来源的范例。稳定的X射线辐射包括热大气成分和磁层贡献，表现为硬X射线“尾巴”。“本文论述了与磁星稳定硬X射线发射有关的观测和理论要素，重点是磁星磁层中的耗散过程以及康普顿化和极化要素。它还讨论了光子分裂和磁对创建的奇异和基本QED机制的行动和可能的签名，并寻求其观测辩护。
2020-12-19 astro-ph.HE
Multi-dimensional simulations of ergospheric pair discharges around black holes
众所周知，黑洞会发射出强大的相对论性喷流，并发射出高度可变的伽马辐射。这些喷流如何装载等离子体仍然知之甚少。火花隙被认为是黑洞磁层中粒子加速和对产生的驱动力。在本文中，我们进行二维轴对称广义相对论粒子模拟的一个黑洞磁层的逆康普顿散射和对生产的现实治疗。我们发现磁层可以自洽地充满等离子体并激活Blandford-Znajek机制。一个高度依赖于时间的火花隙打开附近的内轻表面注入对等离子体的磁层。这些结果可以解释在活动星系核中观测到的高能活动，并解释喷流底部等离子体的起源。
2020-03-07 astro-ph.HE
On the polar cap cascade pair multiplicity of young pulsars
我们研究了在各种条件下年轻脉冲星极帽中电子对的产生效率，以估计脉冲星磁层中电子对等离子体的最大可能多重数。我们开发了一个半解析模型计算的级联多重性，它允许有效的探索参数空间，并证实它与直接的数值模拟。为了评估影响级联效率的不同因素，对创建过程被认为是分开的粒子加速，与最近的自洽非稳态模型对级联描述的初级粒子的加速。我们认为，最有效的级联工作在曲率辐射/同步加速器制度，在脉冲星磁层对等离子体的最大多重数是~几个× 10^5。年轻高能脉冲星磁层中的等离子体对多重数与磁场强度和磁场线的曲率半径的关系很弱，而与脉冲星倾角的关系较强。这一结果对脉冲星风星云理论中关于等离子体对多重性很高的假设提出了质疑。
2018-03-23 astro-ph.HE
Pair Discharges and Radio Emission from Millisecond-Pulsar and White-Dwarf Magnetospheres
Department of Physics, University of Helsinki（赫尔辛基大学物理系）
该研究针对弱场致密天体磁层，提出含两类QED过程的新型对放电机制，通过粒子模拟验证其可产生对级联与相干射电辐射，解释了毫秒脉冲星和白矮星的射电活动。
2026-08-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Origin of Pulsar Radio Emission
自从半个多世纪前发现恒星是明亮的相干射电发射源以来，发射的原因一直是个谜。在这封信中，我们证明了相干辐射可以直接产生在非稳态对等离子体放电，这是负责充满脉冲星磁层等离子体。通过大规模的二维动力学等离子体模拟，我们表明，如果对创建跨磁场线是不均匀的，由新鲜产生的对等离子体的电场的屏蔽是伴随着电磁波的性质的发射。利用屏蔽过程的局部模拟，我们确定这些波作为超光速的普通（O）模式，这应该自由地逃离磁层的等离子体密度沿波的路径下降。波的频谱是宽带和频率范围是观测到的脉冲星无线电辐射。
2020-06-25 astro-ph.HE
Radio Emission Physics in the Crab Pulsar
我们回顾了我们的高时间分辨率的蟹状星云脉冲星的射电观测，并将我们的数据与各种发射物理模型进行了比较。主脉冲和低频间脉冲来自高空发射区（焦散）的某个区域，这些区域也会产生脉冲X射线和伽马射线发射。虽然没有发射模型可以完全解释这两个组成部分，最有可能的模型表明，它们来自光束驱动的不稳定性，相干电荷聚束和强电磁湍流的组合。由于无线电功率在很大的时间尺度上波动，我们知道发射区是不规则的和动态的。这是诱人的调用不稳定的对创建高海拔间隙的可变性的来源，但目前的对级联模型不能解释所需的任何可能的模型的密度。更难解释的是神秘的高频间脉冲。我们既不了解它在磁层内的起源，也不了解它动态光谱中引人注目的发射带。最有希望的模型是基于与太阳斑马带的类比，但它们需要不寻常的等离子体结构，这不是我们标准的磁层图像的一部分。我们认为，无线电观测可以揭示很多关于上层磁层，但工作之前，模型可以解决所有的数据。
2016-04-08 astro-ph.HE
Phase Control of Nonlinear Breit-Wheeler Pair Creation
研究通过激光脉冲与其二次谐波间的相位偏移，控制非线性 Breit-Wheeler 过程中产生的正负电子的相对横向运动，实现电子与正电子的反向漂移与空间分离，为正电子的后续分离与检测提供新途径。
2023-10-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetic Pair Creation Transparency in Gamma-Ray Pulsars
磁对的产生$γ\to e^+e^-$在过去的三十年里一直是射电脉冲星范例的核心，也是伽马射线脉冲星极帽模型的核心。费米伽马射线脉冲星的数量现在超过140个来源，并定义了费米科学遗产的重要组成部分。在已确定的总体特征中，在1- 10 GeV范围内，它们的谱中经常发生指数转换。这些变化太过平缓，不可能是脉冲星内磁层的强磁场产生的磁对。通过要求由这种单光子对产生引起的微不足道的光子衰减，费米介子的这些翻转的能量可以用来计算GeV带发射的典型高度的下限。本文探讨了这种对透明度的限制下的营业额的能量，并更新早期的高度约束的测定已部署在各种费米脉冲星的文件。对于低空发射地点，广义相对论的影响是很重要的。旋转像差的影响也进行了探讨，并发现在低海拔地区是小的，除了附近的磁极。对于年轻的费米脉冲星群体，高度界限通常在2-7个恒星半径的范围内，并提供了关于不具有双峰脉冲轮廓的无线电安静脉冲星的发射高度的关键信息。蟹状星云脉冲星的边界在更高的高度，MAGIC的推定探测到350-400 GeV，这意味着发射区的下限为310公里，即，大约是光圆柱半径的20%。这些结果也被扩展到超临界场域，在那里发现，在磁星的发射起源低于约10恒星半径将不会出现在费米-LAT带。
2014-06-11 astro-ph.HE
1D PIC Simulations of Resonant Scattering-Driven Pair Cascades in Magnetar Magnetospheres
Dartmouth College（达特茅斯学院）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；Stanford University（斯坦福大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Max-Planck Institute for Astrophysics（马克斯·普朗克天体物理学研究所）；Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute（平顿研究所计算天体物理中心）
该研究通过一维PIC模拟揭示共振逆康普顿散射驱动的对级联在磁星磁层中形成单半球加速间隙，导致不对称硬X射线产生，为相位分辨光谱提供预测。
2026-09-17 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Pair creation in the vortex-driven magnetic fields of black holes
本文研究涡旋驱动磁场下黑洞辐射中的电子-正电子对产生，给出不同产生半径与黑洞质量对应的光子逃逸能量阈值。
2025-10-19 astro-ph.GA astro-ph.HE
Quantum Plasma Creation near a Magnetar
本研究通过蒙特卡洛模拟，揭示磁星静止态硬X射线源于QED效应产生的电子对等离子体，并解释1E 2259+586观测特征，为理解磁星电路提供关键模型。
2025-01-23 astro-ph.HE
First-Principles Plasma Simulations of Black-Hole Jet Launching
黑洞驱动强大的等离子体射流达到相对论速度。这种等离子体应该是无碰撞的，并且通过视界附近的电子对产生而自洽地供应。我们提出了广义相对论无碰撞等离子体模拟的克尔黑洞磁层，从真空开始，注入电子-正电子对的基础上，当地的非屏蔽电场，并达到稳定状态与电磁供电的Blandford-Znajek喷流和持续电流片。在无穷远处具有负能量的粒子是一个普遍的特征，在彭罗斯过程的一个变体中，它可以对黑洞旋转能量的提取做出重要贡献。所产生的等离子体分布取决于对创建环境，我们描述了两个不同的实现力的电动力学解决方案。这种敏感性表明，等离子体动力学将是有用的，在解释未来的地平线分辨亚毫米波和红外观测。
2018-10-10 astro-ph.HE gr-qc physics.plasm-ph
Poynting flux transport channels formed in polar cap regions of neutron star magnetospheres
本研究通过二维粒子模拟发现，中子星极冠区对级联放电形成坡印廷通量输运通道，相干射电辐射无需粒子-波能量转换，且波束无锥形结构，直接沿无对产生的开放磁场线逃逸。
2024-11-05 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Super-Eddington Emission from Accreting, Highly Magnetised Neutron Stars with a Multipolar Magnetic Field
脉冲超亮X射线源（PULX）的特征在于极大的光度（$ > 10^{40} \text{erg s}^{-1}$）。虽然有一个普遍的共识，它们拥有一个吸积，磁化中子星（NS），如何产生光度$> 100$乘以爱丁顿极限，$L_E$，太阳质量的物体的问题仍然存在争议。一个有希望的解释依赖于在强磁场存在下不透明度的减少，这使得局部通量比爱丁顿通量大得多。然而，避免螺旋桨效应的发生可能是一个严重的问题。在这里，我们重新考虑柱吸积到一个高度磁化NS的问题，通过放松假设一个纯偶极场，并允许更复杂的磁场拓扑结构，延长以前发表的计算。我们发现最大亮度主要由NS表面附近的磁场强度决定。我们还研究了决定吸积柱几何形状和出射光度的其他因素，例如对控制盘-磁层边界吸积流的参数的假设。我们的结论是，一个强磁化NS与$\sim 10^{13} \text{G}$的偶极分量，$\sim10^{14} \text{G}$的八极分量和自旋周期$\sim1 \text{s}$可以产生亮度的$\sim 10^{41} \text{erg s}^{-1}$，而避免螺旋桨制度。我们将我们的模型应用到两个脉冲星，NGC 5907 ULX-1和NGC 7793 P13，并讨论如何解释它们的光度和自旋周期率在不同的配置，无论是有或没有多极磁性组件。
2021-04-13 astro-ph.HE
Gamma-ray emission from strongly magnetized pulsars
在一个强磁场中，B > 4 × 10 ^{12} G，几乎沿着弯曲的场线发射的伽马射线会衰变成束缚的电子-正电子对（正电子素原子），而不是衰变成自由对。这一过程可能会改变强磁化晶体的极隙。与自由对不同，这种束缚对不会屏蔽极隙中沿磁场的电场分量。因此，相对论粒子和辐射从极隙带到脉冲星磁层的总功率，与忽略束缚对的传统极隙模型相比，可能会显着增加（高达几十倍），并且可能是自旋下降功率的很大一部分。我们证明，修改后的极性间隙的总功率可能足以解释所观察到的所有已知的强磁化，伽玛射线天体的非热光度。
2011-09-26 astro-ph.HE hep-ph
Relativistic coronal mass ejections from magnetars
本文研究了磁星相对论性日冕物质抛射在缓慢与突然足点剪切两种启动机制下的动力学演化、磁层打开与恢复过程，并探讨其对快速射电暴的启示。
2023-02-17 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Gravitational collapse to a Kerr-Newman black hole
本文首次系统地研究了旋转和磁化的中子星到带电和旋转（克尔-纽曼）黑洞的引力坍缩。特别是，我们认为磁化和旋转的中子星的崩溃，假设没有对创建发生和磁层中的电荷密度是如此之低，恒星的外部可以被描述为一个电真空。在这些假设下，这是相当合理的脉冲星已经越过了“死亡线”，我们表明，当恒星旋转，它获得了净初始电荷，然后被困在新形成的背洞的视视界。我们分析了一些不同的量来验证所产生的黑洞确实是一个克尔-纽曼黑洞，并表明，在没有旋转或磁场的情况下，坍缩的最终结果分别是史瓦西或克尔黑洞。
2017-03-09 astro-ph.HE gr-qc
Emission of magnetar bursts and precursors of neutron star mergers
磁星爆发可以由外磁层中的阿尔文波增长到非线性振幅$δB/B\sim 1$并触发磁重联而发射。类似的磁闪应该准周期性地发生在一颗接近合并的磁化中子星双星中。在这两种情况下，磁耀斑的快速耗散产生了光学厚度的$e^\pm$等离子体，其热容量与产生的辐射能量相比可以忽略不计。磁耗散则涉及光子粘性，并通过康普顿阻力作用于重联区域中的等离子体体运动。由此产生的康普顿化过程的有效温度是自我调节到几十keV。所产生的X射线发射是使用时间相关的辐射转移模拟计算的，该模拟遵循$e^\pm$对的创建以及光子的产生、康普顿化和逃逸。模拟结果显示了耗散区如何被涂上$e^\pm$涂层，以及逃逸光谱如何通过涂层的辐射转移形成。结果与观测到的磁星爆发，包括最近的活动SGR 1935+2154伴随着快速射电暴。预测了磁化中子星合并的X射线前兆。
2021-07-24 astro-ph.HE astro-ph.SR
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
Efficiency of Non-Thermal Pulsed Emission from Eight MeV Pulsars
本研究利用多颗X射线卫星数据分析8颗MeV脉冲星的脉冲辐射特性，发现其硬X射线谱与较高辐射效率，估算了对产生多重数并提出两类模型解释其与Fermi-LAT脉冲星的差异。
2024-03-07 astro-ph.HE
Constraining Pulsar Emission Physics through Radio/Gamma-Ray Correlation of Crab Giant Pulses
为了约束巨脉冲（GP）发射机制并检验Lyutikov（2007）的GP发射模型，我们正在对蟹状星云脉冲星进行伽马射线（费米）和无线电波长之间的同时观测。无线电GP和高能光子的到达时间之间的相关性，无论它是否存在，都将使我们能够在GP发射的不同来源之间进行选择，并进一步限制发射物理。我们的首要目标是测试无线电全球定位系统是否是由于无线电发射机制的相干性变化，脉冲星磁层中对创建速率的变化，或波束方向的变化。实现这一目标需要大量的同时无线电GPS和伽马光子。因此，我们组织了一次无线电观测活动，使用了英国Jodrell Bank天文台的42英尺望远镜、140英尺望远镜和100米的Robert C.绿岸天文台（Green Bank Observatory）的伯德绿岸望远镜（GBT）。虽然前两个的观测正在进行中，但在这里，我们提出了在8.9 GHz的高频下使用GBT进行20小时观测的初步结果。这些特殊的观测旨在探测Lyutikov（2007）的GP发射模型，该模型预测频率> 4 GHz的GP应该伴随着能量为1-100 GeV的伽马射线光子。
2010-01-08 astro-ph.GA astro-ph.HE
