Study of the acceleration of particles and the high energy radiation from the magnetospheres of compact objects: (black holes, neutron stars-pulsar)

Abstract

The study of the magnetospheres of compact objects (black holes, neutronstars—pulsars) is of particular interest, as these environments give rise to current sheets through the phenomenon of magnetic reconnection. These current sheets can accelerate particles, which ultimately emit high-energy radiation (X-rays, gamma rays). A rotating neutron star (pulsar) has alarge-scale current sheet as a key feature of its magnetosphere, the pri-mary role of which is to close the electric circuit of the magnetosphere. Many questions remain unanswered: Where and how are the charge carriers that sustain the electric circuit generated? How far does the currentsheet extend (to the surface of the star, to the light cylinder, or to some intermediate surface)? To what extent does the current sheet contribute to the particle acceleration responsible for the observed gamma-ray emission from pulsars? In this work, we approached some of these questions by developing new numerical methods based on physics-informed machine learning (PINNs). A rotating magnetized black hole surrounded by an accretion disk exhibits a more complex magnetosphere, which also includes large- and small-scale current sheets near the event horizon.To study the morphology and radiation from these regions, we utilized computational results from General Relativistic Magnetohydrodynamics(GRMHD) simulation codes. This study helped us investigate the originof flares observed in the vicinity of black holes (e.g., from the black holeSgrA* at the center of our Galaxy).

Η μελέτη της μαγνητόσφαιρας συμπαγών αντικειμένων (μελανές οπές,αστέρες νετρονίων-παλσαρ) παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς εκεί μέσου του φαινομένου της μαγνητικής επανασύνδεσης δημιουργούνται φύλλα ρεύματος, τα οποία δύνανται να επιταχύνουν σωματίδια, τα οποία εν τέλει θα ακτινοβολήσουν σε υψηλές ενέργειες (ακτίνες Χ, ακτίνες γ). Ένας περιστρεφόμενος αστέρας νετρονίων-pulsar έχει ως κύριο στοιχείο της μαγνητόσφαιρας του ένα μεγάλης κλίμακας φύλλο ρεύματος ο κύριος ρόλος του οποίου είναι να κλείσει το ηλεκτρικό κύκλωμα της μαγνητόσφαιρας. Πολλά ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα: Πού και πώς δημιουργούνταιοι φορείς φορτίου που υποστηρίζουν το ηλεκτρικό κύκλωμα; Πόσο εκτείνεται το φύλλο ρεύματος (μέχρι την επιφάνεια του αστέρος, μέχριτον κύλινδρο φωτός, ή μέχρι μια ενδιάμεση επιφάνεια); Πόσο συμμετέχει το φύλλο ρεύματος στην επιτάχυνση σωματιδίων που ευθύνονται για την παρατηρούμενη ακτινοβολία ακτίνων γάμμα από τα pulsars; Στην παρούσα εργασία προσεγγίσαμε ορισμένα από τα παραπάνω προβλήματα με την ανάπτυξη νέων αριθμητικών μεθόδων μηχανικής μάθησης (νευρωνικά δίκτυα φυσικός ενημερωμένα). Μια περιστρεφόμενη μαγνητισμένη μελανή οπή που περιβάλλεται από έναν δίσκο προσαύξησης παρουσιάζει μια πιο πολύπλοκη μαγνητόσφαιρα η οποία όμως εμφανίζει και αυτή μεγάλης και μικρής κλίμακας φύλλα ρεύματος κοντά στον ορίζοντα γεγονότων. Για την μελέτη της μορφολογίας και της ακτινοβολίας των περιοχών αυτών αξιοποιήσαμε αποτελέσματα υπολογισμών από κώδικες προσομοίωσης μαγνητουδρυδυναμικής σε γενική σχετικότητα. Η μελέτη αυτή μας βοήθησε να μελετήσουμε την προέλευση των εκλάμψεων που παρατηρούνται από την γειτονία των μελανών οπών (πχ. από την μελανή οπή SgrA*στο κέντρο του Γαλαξία μας).