Pair Cascades in Magnetar Magnetospheres
本文通过蒙特卡罗模拟研究磁星磁层中由共振逆康普顿散射引发的级联对产生过程，发现对同步辐射和分裂光子谱主导观测谱并具有40%-80%的高偏振，可解释IXPE观测到的磁星高偏振信号。
2025-08-18 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
Images of magnetospheric reconnection-powered radiation around supermassive black holes
吸积的超大质量黑洞现在可以在事件视界尺度上以毫米波长观测到。目前对图像的预测依赖于假设（流体模型，热电子），这些假设可能并不总是在黑洞附近成立，因此完整的动力学处理是有序的。在这封信中，我们描述了第一个三维全球广义相对论粒子模拟黑洞磁层。该系统显示一个持续的赤道电流片。合成图像计算的射线跟踪同步辐射从非热粒子加速在这个电流片的磁重联。我们确定了几个随时间变化的功能，在中等视角的图像：一个可变半径的环，热点沿它移动。在这个政权，我们的模型预测，大部分的图像流量位于临界曲线内。这些结果可以帮助理解未来的黑洞磁层观测在提高时间和空间分辨率。
2022-10-28 astro-ph.HE
Emergence of magnetic null points in electro-vacuum magnetospheres of compact objects: The case of a plunging neutron star
利用测试场近似研究了致密物体对附近电磁场的相对论效应。特别是，我们研究了可能出现的磁零点，这是天体物理相关的过程中的磁重联。虽然磁重联发生在等离子体的存在下，并可能导致暴力的质量喷射，我们在这里表明，强大的引力的超大质量黑洞可能积极支持的过程中，通过适当的纠缠的场线，即使在电真空的描述。本文进一步讨论了中子星在向超大质量黑洞俯冲轨道上的偶极型磁场的情形。虽然我们以前已经表明，给定的模型在原则上承认磁零点的形成，在这里，我们探讨是否以及在哪里出现的空点的天体物理相关的参数值。
2019-02-26 astro-ph.HE
1D GRPIC Simulations of Stellar-Mass Black Hole Magnetospheres: Semi-Analytic Model of Gamma-Rays from Gaps
本文通过一维广义相对论 PIC 模拟研究恒星质量黑洞磁层的火花间隙与伽马射线辐射，并用半解析模型支持 Fermi-LAT 和 CTA 的可探测性。
2024-01-19 astro-ph.HE
Pair Plasma Cascade in Rotating Black Hole Magnetospheres with Split Monopole Flux Model
本文研究克尔黑洞磁层中准球形气体分布下的正负电子对级联，发现级联效率在喷流轴处最大且背景光子谱指数为2时效率最高，为理解Sgr A*等超大质量黑洞喷流供能机制提供依据。
2023-10-28 astro-ph.GA astro-ph.HE
Electron-Positron Cascade in Magnetospheres of Spinning Black Holes
我们定量地研究了自旋（克尔）黑洞（BH）的静止的、轴对称的、无力的磁层，以及由Blandford-Znajek机制提供动力的相对论喷流所需的条件。这些喷流可能来自活动星系核、耀变体、类星体、微类星体、射电活跃星系和其他拥有克尔黑洞的系统。磁层的结构决定了如何提取BH能量，例如，通过Blandford-Znajek机制，将BH转动能转换为坡印亭通量。关键的假设是无力条件，它要求等离子体的密度高于Goldreich-Julian密度。不像中子星原则上可以从表面提供电子，BH根本不能提供等离子体。等离子体必须通过电子-正电子级联产生\em{in situ}，大概是在间隙区域。在这里，我们研究不同的条件下，提供了足够量的等离子体的布兰德福德Znajek机制有效地工作。
2017-06-02 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Shock acceleration in vortex driven magnetic fields of black holes
School of Physics, Free University of Tbilisi（第比利斯自由大学物理学院）；E. Kharadze Georgian National Astrophysical Observatory（E.哈拉泽格鲁吉亚国家天文台）
研究超大质量黑洞磁层中涡旋驱动磁场下的粒子加速，通过研究相对论性激波处的一阶费米加速过程，考虑同步辐射和逆康普顿散射等能量损失机制，得出质子和电子在典型黑洞中的加速能量情况。
2026-09-17 astro-ph.HE
Dissipation of Alfvén Waves in Relativistic Magnetospheres of Magnetars
磁星耀斑在中子星的磁层中激发出强烈的阿尔文波。波能量可以（1）在磁层中消散，（2）转换为"快模式"并可能逃逸，（3）穿透中子星地壳并在那里消散。我们研究和比较这三种选择。特别具有挑战性的是强波之间的非线性相互作用，这将发展为小耗散尺度的级联。这个过程可以在无力电动力学（FFE）的框架内进行研究。我们进行三维FFE模拟研究阿尔文波耗散，需要多长时间，以及它如何依赖于驱动尺度上的初始波振幅。在模拟中，我们发射了两个大的阿尔文波包，它们在封闭的磁场线上不断反弹，并反复碰撞，直到形成完整的湍流谱。除了耗散由于湍流级联，我们发现，在一些模拟虚假的能量损失发生在第一次碰撞。这种效应发生在FFE描述中断的特殊情况下。这是解释一个简单的一维模型，我们研究在FFE和全磁流体动力学设置。我们发现磁层通过非线性波相互作用的耗散相对较慢，更多的能量被排入中子星。沉积到恒星中的波能通过液态海洋底部引起的塑性地壳流动迅速消散，产生的热量的一部分从恒星表面辐射出去。
2018-10-24 astro-ph.HE
VHE gamma-ray Emission from Passive Supermassive Black Holes: Constraints for NGC 1399
极高能（VHE;>100 GeV）的伽马射线预计将从超大质量黑洞（SMBH）附近发射出来，而不管它们的活动状态如何。在旋转SMBH的磁层中，带电粒子的有效加速可以通过各种过程发生。这些粒子的能量可以达到E~10^{19}eV。这些粒子的VHE伽马射线发射则可以通过轻子或强子过程进行。因此，被动系统，缺乏强光子场允许VHE伽马射线逃逸，预计将被切伦科夫望远镜探测到。我们目前的结果，从最近的VHE实验的被动SMBH在附近的椭圆星系NGC 1399。没有发现伽马射线信号，也没有被H.E.S.S.实验也没有在这里分析的费米数据。我们讨论了系统的物理特性的可能影响。我们的结论是，在粒子在磁层真空间隙中加速的情况下，只有0.3分之一的间隙可用于粒子加速，这表明该系统不太可能将质子加速到E~10^{19} eV。
2011-07-05 astro-ph.HE
Ab-initio pulsar magnetosphere: the role of general relativity
最近的研究表明，在平坦时空中，自洽粒子模拟的低密度脉冲星磁层显示出弱的粒子加速度，在两极附近没有对的产生。我们调查这一结论的有效性，在一个更现实的时空几何通过广义相对论粒子在细胞模拟对齐脉冲星磁层对形成。我们发现，由于标架拖曳效应的加入，使得沿磁场方向的局域电流密度大于Goldreich-Julian值，从而导致了平行电场的不屏蔽和对级联的点燃。当对生产是活跃的，我们观察到的开放的场束，这可能与脉冲星无线电发射的振荡。我们的结论是，广义相对论效应是低磁致伸缩度转子中脉冲星机制存在的必要条件。
2015-10-06 astro-ph.HE
Studying cosmic ray sources using intergalactic electromagnetic cascades
本文用星系间电磁级联作为宇宙线源的探测器。这是如下实现的。在河外空间，宇宙射线引发电磁级联，其中产生伽马射线和中微子发射。我们利用宇宙射线数据的联合分析，以及河外伽马射线和中微子的发射，研究粒子加速附近的超大质量黑洞。粒子注入谱依赖于粒子的加速过程，在这里我们讨论各种注入谱的模型。使用公开提供的TransportCR代码计算了宇宙射线在空间的传播。科学家发现，可能存在一种新的来源，这种来源对地球上的粒子通量没有贡献，而是对电磁级联中产生的伽马射线和中微子发射有贡献。此外，还导出了被超强磁场包围的“奇异”超大质量黑洞的相对个数的上限。
2022-11-29 astro-ph.HE
Physics of Pair Producing Gaps in Black Hole Magnetospheres II -- General Relativity
这是第二个文件中的一个系列，我们研究的物理对低光度吸积超大质量黑洞系统产生的差距。在本文中，我们进行了含时自洽的完全广义相对论的1D PIC模拟的间隙，包括完全逆康普顿散射和光子跟踪。类似于前一篇论文，我们发现了一个高度依赖于时间的解决方案，宏观真空间隙可以打开准周期性，产生爆发的$e^\pm$对和高能辐射。我们给出了这个过程的光变曲线、粒子谱和光子谱。使用经验标度关系，我们重新标度的参数的推断值在底部的喷流在M87，并发现，所观察到的TeV耀斑可以潜在地解释这个模型在某些参数的假设。
2019-08-19 astro-ph.HE
A Model for Pair Production Limit Cycles in Pulsar Magnetospheres
本研究针对脉冲星磁层正负电子对产生的极限环现象，构建了纳入磁层电流、粒子逃逸等效应的简化时变动力学模型，复现了相关行为并验证其电场振荡功率谱与观测射电谱一致，为解释脉冲星射电辐射提供了理论支撑。
2024-02-29 astro-ph.HE hep-ph
Physics of Pair Producing Gaps in Black Hole Magnetospheres
在一些低光度吸积的超大质量黑洞系统中，漏斗区域的等离子体供应可能是一个问题。据信，在黑洞磁层中可能存在具有未屏蔽电场的局部区域，加速粒子并产生可以产生$e^{\pm}$对的高能伽马射线。我们对这个过程进行了含时自洽的一维PIC模拟，包括逆康普顿散射和光子跟踪。我们发现了一个高度依赖于时间的解决方案，其中宏观间隙准周期性地打开，以创建$e^{\pm}$对和高能量辐射。如果这个间隙在M87喷流的底部起作用，我们预计它会有几个$r_g/c$量级的不稳定性，这与观测到的来自同一天体的TeV耀斑的时间尺度一致。对于人马座A* 来说，间隙电场可能会增长，从而改变全球磁层结构，这可能解释了我们银河系中心缺乏无线电喷流的原因。
2018-05-28 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
Reconnection-driven flares in 3D black hole magnetospheres -- A scenario for hot spots around Sagittarius A*
通过Kerr时空中的全局三维粒子模拟，研究了旋转黑洞磁层中的磁重联电流层，发现脱离的磁通量绳可产生同步辐射热点以解释Sgr A*近红外耀斑，并约束其自旋为0.65至0.8。
2023-05-02 astro-ph.HE
Centrifugal acceleration of protons by a supermassive black hole
离心加速度是由于磁层中旋转的极向磁场产生了与磁场正交的电场。具有有限回旋半径的带电粒子可以沿着电场移动并接收能量。离心加速度将粒子推向边缘，在那里它们的方位角速度达到光速。我们用数值和解析方法计算了粒子的运动轨迹。获得的最大能量取决于粒子磁化$ κ$的参数，其是磁层中磁场线的旋转频率$ Ω_F $与粒子的非相对论性回旋频率$ ω_c $的比率，$ κ= Ω_F /ω_c << 1 $，并且取决于参数$ α$，其是环向磁场$ B_T $与极向磁场$ B_P $的比率，$ α= B_T / B_P $。结果表明，对于小的环形场，$ α<κ^{1/4} $，最大洛伦兹因子$ γ_m $只是磁化的平方根，$ γ_m = κ^{-1/2} $，而对于大的环形场，$ α>κ^{1/4} $，能量显着增加，$ γ_m = κ^{-2/3} $。然而，最大可能的加速度，$ γ_m = κ^{-1} $，是没有达到磁层。对于一些活动星系核，如M87，我们发现了加速质子的洛伦兹因子的极大值。给出了最大质子能量及其能流的A* 估计。这些结果与HESS切伦科夫望远镜的实验数据一致。
2020-01-10 astro-ph.GA astro-ph.HE hep-ph
Magnetic Reconnection in Black-Hole Magnetospheres: Lepton Loading into Jets, Superluminal Radio Blobs, and Multi-wavelength Flares
活动星系核中的超大质量黑洞发射相对论喷流，正如观测到的超光速射电斑点所表明的那样。这些喷流的能量来源在Blandford-Znajek过程的理论框架中得到了广泛的讨论，即旋转黑洞（BH）的电磁能量提取，而电磁主导喷流中射电团的形成机制一直是一个长期存在的问题。最近的高分辨率磁流体动力学模拟的磁制动盘表现出磁重联在一个短暂的磁主导的部分赤道盘附近的BH地平线，这导致了一个有前途的方案，有效的MeV的伽马射线生产和随后的电子-正电子对加载到BH磁层。我们发展这个方案，建立一个理论框架的能量，时间尺度和粒子数密度的超光速无线电斑点和讨论可观察到的签名在其他波段。我们分析表明，非热电子发射宽带光子从光学多MeV波段。磁层中产生的电子-正电子对在光学上很厚，便于同步加速器自吸收，因此注入的能量储存在等离子体中。储存的能量足以为在M87中观测到的超光速射电团提供能量。这种情况下，预测相当暗淡的无线电斑点周围的Sgr A*，这是一致的，没有明确的检测到目前的设施。此外，这种情况不可避免地会在短时间内产生强烈的X射线耀斑，未来的X射线卫星将可以检测到。
2022-08-31 astro-ph.HE
Poynting flux transport channels formed in polar cap regions of neutron star magnetospheres
本研究通过二维粒子模拟发现，中子星极冠区对级联放电形成坡印廷通量输运通道，相干射电辐射无需粒子-波能量转换，且波束无锥形结构，直接沿无对产生的开放磁场线逃逸。
2024-11-05 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Cosmic ray ensembles from ultra-high energy photons propagating in the galactic and intergalactic space
超高能光子在银河系和星系际空间的传播产生了由数千个光子组成的级联。利用蒙特卡罗模拟，我们研究了这种级联在太阳磁层中的发展，发现级联中的光子在到达地球大气层顶部时分布在数百公里的范围内。我们还进行了类似的研究级联开始远至10百万秒差距，从我们使用相关的磁场模型。一些在时间上相关的光子预计将从后一种级联到达地球。我们提出了我们的模拟结果，并讨论了探测这些级联与宇宙射线极端分布式天文台的前景。
2019-08-13 astro-ph.HE
Centrifugal acceleration of protons in the vicinity of a supermassive black hole
研究了活动星系核中质子的加速问题。最大的能量是由中央机器磁层中的离心加速过程中的质子获得的。在黑洞磁层中加速的质子接近轻圆柱面时，加速主要发生在方位角方向，即加速是离心的。在本文中，加速质子具有较小的同步辐射损失相比，电子被认为是。由于质子在靠近光表面加速时能量增加最大，因此可以在那里得到最大洛伦兹因子的部分解。在分析中得到了最大能量与粒子磁化参数$ κ$和反映环向$ B_ϕ$和极向$ B_T $磁场关系的参数$ α$的关系，本文的结论是：由于黑洞磁层拓扑结构的限制，加速粒子不可能达到洛伦兹因子值$ γ_m=κ^{-1}$的理论最大极限施加的环形和极向磁场。对环向磁场和极向磁场关系的特殊情况的分析表明，在存在明显更环向的磁场的情况下，最大洛伦兹因子值达到$γ_m = κ^ {-2/3} $，在环向场与极向场相比变得更小的情况下，最大洛伦兹因子值不超过$γ_m = κ^ {-1/2} $。对于许多对象，如M87和Sgr。本文导出了在有无环形磁场的情况下加速质子的最大洛伦兹因子值。所得结果与Sgr. A * 已经被切伦科夫望远镜的大质量HESS上获得的实验数据所证实。
2019-11-30 astro-ph.GA astro-ph.HE hep-th
Chiral anomalous processes in magnetospheres of pulsars and black holes
我们提出在双星和黑洞的磁层间隙区可以产生手征非对称等离子体。我们表明，在活动星系核中的超大质量黑洞的情况下，手征电荷密度和手征化学势是非常小的，不太可能有任何可观察到的效果。相比之下，磁星的磁层中产生的手征不对称性可能很大。它可以触发手征等离子体的不稳定性，进而导致磁星中可观察到的现象。特别是，这种不稳定性应该会触发从无线电到近红外的宽频率窗口中的圆偏振电磁辐射。因此，产生的手征电荷有可能影响快速射电暴的某些特征。
2022-07-16 astro-ph.HE hep-ph nucl-th
On the heating of AGN magnetospheres
朗缪尔-朗道-离心驱动（LLCD）能有效地将引力能“转化”为粒子，是活动星系核（AGN）获得极端热光度的驱动机制。为此目的，我们考虑方程的AGN磁层加热的过程。特别是，我们检查的动量方程，连续性方程和泊松方程的线性近似的傅立叶分量和估计的离心激发静电波的增长率和朗缪尔崩溃的增量。结果表明，能量泵的过程是由三个阶段：在第一阶段的能量是有效地从旋转模式转移到静电模式。在适当的时候，第二个政权-朗缪尔崩溃-发生时，能量泵送甚至更有效。当巨大的能量以热的形式释放时，这个过程被朗道阻尼终止。我们证明了光度为$10^{45-46}$ erg/s量级的超大质量黑洞的磁层可以被加热到$10^{6-10}$ K。
2021-03-31 astro-ph.GA 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
Black hole magnetosphere with small scale flux tubes--II. Stability and dynamics
在一些塞弗特星系中，产生荧光发射线的硬X射线被认为是在一个热日冕中产生的，这个日冕是紧凑的，位于超大质量黑洞上方几个引力半径处。我们认为这种X射线源可能是由附在黑洞附近的吸积盘上的小尺度磁通量管提供动力的。我们使用三维的，时间依赖的力免费模拟在一个简化的设置，以研究动态的流量管，因为他们得到不断扭曲的中央致密星/黑洞。我们发现，连接中心致密天体和吸积盘的通量管的动力学演化强烈地受到周围场的禁闭的影响。虽然中心物体和圆盘之间的差动旋转倾向于使通量管膨胀，但是来自周围场的强约束抑制了射流状流出物的形成，因为膨胀的通量管变得扭结不稳定并且耗散了相对靠近中心物体的大部分提取的旋转能量。这样的过程可能能够加热等离子体并产生强X射线发射。我们估计的能量耗散率，并讨论其天体物理意义。
2019-06-05 astro-ph.HE
Null Points in the Magnetosphere of a Plunging Neutron Star
我们探讨了超大质量黑洞视界附近缓慢旋转磁星的偶极型真空场的结构，在那里，由于强引力的影响，场线的结构变得高度扭曲。这种情况可能发生在中子星附近，中子星正处于坠入银河系中心的轨道的最后阶段。本文在Rindler近似下求解了偶极磁场与旋转轴任意倾斜的旋转导体源的麦克斯韦方程组。对于固定的倾角，我们计算的场包括辐射项，而在一般情况下，我们讨论的电磁场只考虑近场项。在后一种情况下，我们调查的真空磁层内的磁零点的出现。在天体物理等离子体存在的情况下，磁点变得高度相关，在那里它们与磁重联和物质抛射过程有关。
2018-12-12 astro-ph.HE gr-qc
Ultra-high energy cosmic rays from supermassive black holes: particle flux on the Earth and extragalactic diffuse emission
本文讨论了在超大质量黑洞周围的吸积盘中，宇宙射线在电场中被加速到超高能（E> 4 × 10^19 eV）.粒子注入谱被假定为比那些在冲击波阵面上加速形成的谱更硬。结果表明，具有注入谱的宇宙射线对地基阵列探测到的粒子通量的贡献很小。但在河外空间，粒子产生的扩散伽马射线发射的显着通量与费米LAT仪器（费米空间天文台机载）获得的数据相比。还推导了在河外空间传播的宇宙射线产生的中微子强度。级联中微子的模型强度远低于天体物理中微子的模型强度。得出的结论是，可能的超大质量黑洞是宇宙射线源，在地球上检测到的粒子通量略有贡献，但这些来源应考虑分析时，河外弥漫伽玛射线辐射的组件。
2018-11-27 astro-ph.HE
Cosmic ray ensembles as signatures of ultra-high energy photons interacting with the solar magnetic field
超高能光子在太阳磁层中的传播产生了由数千个光子组成的级联。我们用蒙特卡罗模拟研究了级联的发展，发现级联中的光子在距离太阳1 AU的平面上空间延伸了数百万公里。我们比较使用两种模型的太阳磁场的模拟结果，并表明，虽然这种级联的签名是不同的模型，在地面探测器的实际检测目的，他们是相似的。
2021-11-17 astro-ph.HE
Physics of Pair Producing Gaps in Black Hole Magnetospheres: Two Dimensional General Relativistic Particle-in-cell Simulations
本文通过 2D 广义相对论粒子模拟研究黑洞磁层中的火花间隙，发现间隙功率取决于软光子属性和视界磁场强度，其耗散能量足以解释 M87 的 TeV 耀斑和 Sgr A* 的 X 射线耀斑。
2025-04-18 astro-ph.HE
A kinetic study of black hole activation by local plasma injection into the inner magnetosphere
通过广义相对论粒子网格模拟，研究局部等离子体注入对黑洞磁层火花隙形成的影响，发现高注入率可屏蔽磁层，开启对产生则实现完全屏蔽并辐射TeV伽马射线。
2023-06-15 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
Cascade Processes of Strong and Weak MHD Turbulence
Xiangtan University（湘潭大学）；Chungnam National University（忠南国立大学）；Kunming University（昆明学院）
本研究通过高分辨率模拟揭示强弱湍流在相对论性MHD湍流中的级联特性，并发现其在中子星磁层中的应用意义。
2026-01-13 astro-ph.HE
Energetic Gamma Radiation from Rapidly Rotating Black Holes
超大质量黑洞被认为是活动星系核的中心动力室。将脉冲星外磁层粒子加速器理论应用于黑洞磁层，证明了在旋转黑洞的事件视界附近沿磁场线存在一个电场.在这个粒子加速器（或间隙）中，电子和正电子通过光子-光子碰撞产生，并通过这个电场在相反的方向上加速，通过曲率和逆康普顿过程有效地发射伽马射线。它示出的间隙周围产生的零电荷表面形成的帧拖曳效应，只要有没有电流注入跨越间隙边界。这个间隙正在消散黑洞的一部分旋转能量，而由此产生的伽马射线亮度随着周围等离子体吸积的减少而增加。考虑到一个极端旋转的超大质量黑洞，我们表明，这样的差距再现了显着的甚高能量（VHE）的伽马射线通量观察到的射电星系IC 310，只要吸积率变得远小于爱丁顿率，特别是在其耀斑阶段。结果表明，IC~310磁层中的反康普顿过程主要是曲率过程，VHE γ射线谱的类幂律谱可以用不同曲率半径的曲率辐射的叠加来解释。据预测，VHE光谱扩展到更高的能量与增加VHE光子通量。
2015-12-16 astro-ph.HE
Maximum possible energies of electrons accelerated in magnetospheres of rotating black holes
本文建模旋转黑洞磁力线中的磁离心电子加速，纳入逆康普顿、曲率辐射等约束，给出不同质量黑洞可达到的最大Lorentz因子。
2025-07-26 astro-ph.HE
Coherent emission from QED cascades in pulsar polar caps
脉冲星的磁层被认为充满了成对级联产生的电子-正电子等离子体。这些级联的驱动机制是伽马射线光子的发射和它们通过量子电动力学（QED）过程转化为对。在这项工作中，我们提出了2D粒子在细胞模拟的对级联在脉冲星极帽与现实的磁场几何，包括相关的QED过程的第一性原理。我们的研究结果表明，由于整个极冠的磁场曲率的变化，对生产爆发自洽地发展相对于当地磁场，有利于产生相干电磁模式与脉冲星无线电发射的属性一致的倾斜。我们发现，这种发射是沿磁轴和接近极帽边缘的峰值，从而可能提供一个解释脉冲星无线电发射的核心和锥分量。
2021-08-26 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Model of pulsar pair cascades in non uniform electric fields: growth rate, density profile and screening time
随时间变化的电子-正电子对级联被认为是脉冲星磁层中等离子体的主要来源，也是解释脉冲星射电辐射性质的主要成分，这是高能天体物理学中一个长期悬而未决的问题。在这些级联过程中-伽马射线光子发射的正反馈回路，通过TeV电子和正电子的曲率辐射，以及对的产生-等离子体自洽地产生感应波，这些感应波耦合到能够逃离脉冲星稠密等离子体的电磁模式。在这项工作中，我们提出了一个分析描述的对级联相关的双中子星，包括他们的发病，指数增长和饱和阶段。我们研究这个问题的情况下，背景线性电场，相关的脉冲星极冠，并使用一个启发式模型的对生产过程。与OSIRIS，包括启发式对生产进行的粒子在细胞模拟的分析结果得到证实。
2022-04-07 astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
Inverse Compton Cascades in Pair-Producing Gaps: Effects of Triplet Pair Production
逆康普顿对级联是在伽马射线被周围的软光子场吸收以产生相对论对时启动的，相对论对又向上散射相同的软光子以产生更多的伽马射线。如果康普顿散射发生在深层的克莱因-西那机制中，那么三重态对产生（$eγ_b \rightarrow ee^{+}e^{-}$）就变得相关，甚至可能调节级联的发展。我们研究了在加速能隙中产生三重态对的对-康普顿级联的性质，即，具有未屏蔽电场的区域。利用粒子演化的输运方程方法，计算了在黑体和幂律环境光场中，对级联的增长率随加速电场的变化。由数值结果，我们推导出简单的解析表达式的峰值增长率和相应的电场。我们表明，对于某些参数，这可以实现在附近的吸积超大质量黑洞在活动星系核的中心，对级联可以很好地调节由逆康普顿散射在深Klein-Nishina制度和三重态对生产。我们提出了指示性的例子逃逸的伽玛射线辐射的差距，并讨论我们的结果中的应用TeV观测射电星系M87。
2019-08-05 astro-ph.HE
Towards a model of population of astrophysical sources of ultra-high-energy cosmic rays
我们建立并讨论了一个玩具模型的人口众多的非相同的河外源的超高能宇宙射线。在该模型中，宇宙射线粒子在星系核中的超大质量黑洞的磁层中被加速，加速的关键参数是黑洞质量。我们使用天体物理数据的红移依赖的黑洞质量函数来描述人口的这些宇宙射线加速器，从弱到强，并面对模型的宇宙射线数据。
2012-07-12 astro-ph.HE
Nonthermal processes in hot accretion flows onto supermassive black holes: An inhomogeneous model
上下文许多低红移的活动星系核都有一个超大质量黑洞，以低或中等速率吸积物质。在这样的速率下，吸积流通常由一个冷的光学厚盘，加上一个热的、低密度的、无碰撞的日冕组成。在后一种成分中，带电粒子可以通过各种机制加速到高能量。目标。我们的目标是详细研究热吸积流到超大质量黑洞的非热过程，涵盖了广泛的吸积率和光度。方法.我们开发了一个模型，包括一个薄的Shakura-Sunyaev盘加上内部热吸积流或日冕，建模为一个辐射效率低下的吸积流，非热过程发生。我们解决了相对论粒子的输运方程，并估计了各种粒子种类和源中的场之间的非热相互作用产生的光谱能量分布。结果我们涵盖了各种各样的情况下，从低吸积率到爱丁顿极限的10%，并确定了每种情况下的相关冷却机制。热流中强子的存在决定了光谱的形状，产生次级粒子和伽马射线级联。我们将我们的模型应用于源IC 4329 A，证实了早期的结果，即日冕中存在非热粒子的证据。
2021-05-18 astro-ph.HE
Absorption of Gamma-Ray Photons in a Vacuum Neutron Star Magnetosphere: I. Electron-Positron Pair Production
本文研究了真空中子星磁层在低（与Schwinger磁层相比）和高磁场下电子-正电子对的产生。考虑了强纵向电场的情况，其中产生的电子和正电子在短时间内获得稳定的洛伦兹因子。计算了正负电子对的来源，并考虑了曲率和同步辐射光子对的产生。同步辐射光子在弱磁场中对电子对的产生率有很大的贡献。同时，韧致辐射光子的贡献可以忽略。由于电子和正电子加速时间的有限性而导致的时间延迟的存在导致与零时间延迟的情况相比电子-正电子等离子体产生速率的极大降低。构造了正负电子对的有效局域源。它可用于描述中子星磁层吸收宇宙γ射线背景光子后级联发展的流体动力学方程。
2011-11-01 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.space-ph
Coupled Time-Dependent Proton Acceleration and Leptonic-Hadronic Radiation in Turbulent Supermassive Black Hole Coronae
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）；National and Kapodistrian University of Athens（雅典国立卡波迪斯特里安大学）；Queen’s University（女王大学）；Arthur B. McDonald Canadian Astroparticle Physics Research Institute（阿瑟·B·麦克唐纳加拿大高能天体粒子物理研究所）；Perimeter Institute for Theoretical Physics（理论物理前沿研究所）
本文提出一个时间依赖的数值框架，耦合质子加速与轻子-强子辐射，用于模拟超大质量黑洞冠层中非热粒子加速及辐射过程，重现中微子能谱并揭示延迟多信使信号的产生机制。
2026-01-21 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
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
Two-temperature, Magnetically Arrested Disc simulations of the jet from the supermassive black hole in M87
我们提出了两个温度，辐射广义相对论磁流体动力学模拟磁制动盘（MAD），推出强大的相对论射流。我们的模拟的质量吸积率的缩放，以匹配周围的超大质量黑洞在M87吸积流的光度。我们考虑了两种电子加热的次网格方法：一种基于朗道阻尼湍流级联，另一种基于反相对论磁重联加热。模拟产生的喷流的功率为M87的观测值的顺序。这两个模拟产生的光谱都与M87在射电、毫米和亚毫米波段的观测结果一致。此外，在15 GHz和86 GHz之间的频率在两个模型中预测的图像核心移位与观测结果一致。在43和86 GHz，这两个模拟产生的大开角射流与VLBI图像一致。这两个模型都产生了230 GHz的图像，其中有明显的黑洞阴影，这些阴影可以被事件视界望远镜（EHT）解析，尽管在17度的视角下，230 GHz的图像太大，无法与2009年和2012年的EHT观测相匹配。来自模拟的230 GHz图像在几个月到几年的时间尺度上是动态的，这表明重复的EHT观测可能能够检测到事件视界处旋转磁场的运动。
2019-04-09 astro-ph.HE
Extragalactic cosmic ray sources with very small contribution in the particle flux on the Earth and their study
考虑了可能存在的河外超高能宇宙线源，给出了地球上的一个非常小的粒子通量。围绕超大质量黑洞的粒子加速在电场的吸积盘作为这样的源的一个例子进行了讨论。由于加速机制，粒子注入谱被假定为是困难的。在这种情况下，地球上的粒子通量太低，无法检测。但是粒子在太空中通过电磁级联产生了明显的弥散伽马射线辐射通量。在分析其他源模型和暗物质模型时应考虑到这一点。中微子也是级联产生的，在能量E >10^19 eV时，级联中微子谱取决于注入谱。因此，建议利用伽马射线和中微子发射数据研究正在审议的宇宙射线源。
2019-09-24 astro-ph.HE
Radiative reconnection-powered TeV flares from the black hole magnetosphere in M87
一般来说，活跃的星系核，特别是M87中的超大质量黑洞，都显示出明亮而快速的伽马射线耀斑，其能量高达100 GeV或更高。对于M87，耀斑显示出多波长的成分，和可变的时间尺度是可比的事件视界的动力学时间，这表明发射可能来自一个紧凑的区域附近的核。然而，这些耀斑的发射机制还没有得到很好的理解。最近的高分辨率广义相对论磁流体动力学模拟表明，发生的情节磁重联事件，可以权力耀斑附近的黑洞事件视界。本文从第一性原理出发，分析了M87中黑洞在极端等离子体条件下重联电流层的辐射性质。我们表明，丰富的对生产预计在附近的重联层，在某种程度上，所产生的次级对等离子体主导的重联动力学。使用二维粒子模拟支持的分析估计，我们证明，在强同步辐射冷却的存在下，重连可以产生一个硬幂律分布的对等离子体印在即将离任的同步辐射（高达几十兆电子伏）和逆康普顿信号（高达TeV）。我们从我们的模拟中产生合成辐射光谱，这可以直接与未来的M87* 耀斑的多波长观测结果进行比较。
2023-03-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Charge-starved, relativistic jets and blazar variability
耀变体的高能辐射被认为是由超大质量黑洞发射的相对论性喷流产生的。发射点必须远离空穴和相对论喷流，以避免吸收光子。在极端的情况下，辐射的快速变化表明，当喷流发射时，长度尺度小于中心黑洞引力半径的结构被印在喷流上，并在喷流被加速到高洛伦兹因子后调制所释放的辐射。我们提出了一种机制，它可以占射流的加速，并为快速变化的辐射，大振幅波的传播特性的基础上，在电荷饥饿，极性射流。使用两种流体（电子-正电子）的描述，我们发现外流表现出延迟的加速阶段，大约在1 pc开始，与波流相关的惯性变得重要。如果黑洞磁层中的电子对多重性足够小，那么发射时喷流上的时间结构会调制加速喷流产生的光子，这表明非常快速的变化仅限于黑洞磁层中电磁级联不多产的源。
2011-06-01 astro-ph.HE
Particle-in-cell simulations of pair discharges in a starved magnetosphere of a Kerr black hole
我们调查的动力学和排放的饥饿磁层区域（间隙）形成在附近的克尔黑洞视界，使用一个新的，完全广义相对论粒子在细胞的代码，实现蒙特卡罗方法计算伽马射线发射和对生产通过相互作用的对和伽马射线与软光子发射的吸积流。据发现，当汤姆逊长度与磁盘光子碰撞超过间隙宽度，筛选的间隙发生通过低振幅，快速等离子体振荡，产生自我维持的对级联，准静止对和伽马射线光谱，并与对多重性，对生产不透明度成比例增加。从能隙中发射出的伽马射线谱在TeV波段达到峰值，总光度约为相应的布兰德福德-茨纳杰克功率的$10^{-5}$的一部分。这个阶段之前是一个持续时间为$\sim r_g/c$的瞬时放电阶段，在此期间，最初存储在间隙中的势能作为曲率TeV光子的耀斑释放。我们推测在M87中观察到的TeV辐射可能是由火花隙中的对放电产生的。
2018-06-06 astro-ph.HE gr-qc
Neutrino production at the extreme vicinity of supermassive black hole in NGC 1068
Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）
本研究针对 NGC 1068 中微子源，采用统计推断与拉丁超立方采样，结合多信使观测约束，确定其中微子发射区位于 3 R_s 内，证实随机加速为最可行的粒子加速机制。
2026-10-20 astro-ph.HE
Lepton acceleration in the vicinity of the event horizon: High-energy and Very-high-energy emissions from rotating black holes with various masses
将脉冲星外能隙模型应用于黑洞磁层，研究了电子和正电子在事件视界附近的静电加速。在低吸积阶段，辐射低效吸积流（RIAF）不能发出足够的MeV光子，需要通过双光子碰撞维持无力磁层。在这样一个电荷匮乏的区域（或间隙）中，沿着磁场线产生电场，将电子和正电子加速到超相对论能量。这些相对论轻子通过曲率和逆康普顿（IC）过程发射出丰富的伽马射线。一些这样的伽马射线与RIAF发射的亚毫米红外光子碰撞，形成成对的物质，从而部分屏蔽了原始的加速电场。结果表明，随着吸积率的减小，能隙γ射线的亮度增大。然而，如果吸积率下降太多，减少RIAF软光子场不能再维持一个固定的对生产的间隙。只要一个固定的间隙形成，磁层成为力的级联对间隙外，不管BH的质量。如果附近的恒星质量的黑洞（BH）处于静止状态，或者如果一个银河系的中等质量的BH是在一个非常低的吸积状态，它的曲率和IC的排放被发现是可检测的费米/LAT和成像大气切伦科夫望远镜（IACT）。如果一个低光度的活动星系核位于几十Mpc的范围内，那么IACT就可以勉强探测到它的超大质量BH的IC辐射。
2016-10-25 astro-ph.HE
Interaction of Black Hole Magnetospheres with Inclined Ambient Fields
Institute of Experimental and Theoretical Physics, Al-Farabi Kazakh National University（阿尔法拉比哈萨克国立大学实验与理论物理研究所）；Research Centre for Theoretical Physics and Astrophysics, Institute of Physics, Silesian University in Opava（俄帕瓦西里西亚大学物理学院理论物理与天体物理学研究中心）；Department of Physics, Kazakh National Women’s Teacher Training University（哈萨克斯坦国立女子师范大学物理系）
研究黑洞磁osphere与倾斜环境磁场的相互作用，发现外部磁场可抑制磁通量，影响喷流形成和熄灭机制。
2026-01-28 astro-ph.HE gr-qc
Vacuum birefringence and the X-ray polarization from black-hole accretion disks
在下一个十年，X射线偏振测量将打开一扇关于高能宇宙的新窗口，因为目前正在开发包括X射线偏振计在内的几项任务。观测来自恒星质量和超大质量黑洞的吸积盘的x射线的偏振是新偏振计的主要目标之一。在本文中，我们表明，这些观察可以受到真空双折射的量子电动力学（QED）效应：后X射线光子从吸积盘发射，其偏振变化的光子通过吸积盘的磁层，作为一个结果，真空成为双折射的存在下，磁场。我们表明，这种效应可以是重要的黑洞在即将到来的偏振计的能带，并考虑到在一个完整的模型的X射线偏振，我们希望从黑洞吸积盘，恒星质量和超大质量黑洞检测。我们发现，对于盘中的混沌磁场，QED可以显着降低边缘光子的线偏振分数，这取决于空穴的自旋和磁场的强度。这种效应可以首次提供一种直接的方法来探测黑洞吸积盘最内层稳定轨道附近的磁场强度，并研究磁场在一般天体物理吸积中的作用。
2018-04-04 astro-ph.HE
Connection between optical and radio/millimeter flares in blazar OJ287
Blazar OJ 287是一个独特的爆发源，在其中观测到了周期为12年的准周期性双峰结构的光学爆发。它可能是寻找超大质量黑洞双星的最佳候选者之一。我们调查其光学和无线电/毫米波变化之间的联系，并解释排放的相对论性喷流模型。具体地说，我们对1995年8月至1996年1月期间爆发的光学和射电/毫米光变曲线进行了详细的分析和模型模拟。结果表明，在光学V波段和射电/毫米波段（37，22，14.5和8GHz）的多波长光变曲线可以分解为36个独立的基本耀斑，每个耀斑具有对称的轮廓。基本耀斑可以理解为通过灯塔效应产生的，由于相应的超光速光学/无线电结的螺旋运动。在假定的超大质量黑洞/吸积盘系统的磁层中，超光速纽结的螺旋运动应该在其相对论喷流的内部区域占主导地位。一个全面的和兼容的框架来理解OJ287中的整个现象。
2019-06-24 astro-ph.GA astro-ph.HE
