WoU-MMA Collaborative Research: Turbulence and Reconnection in Magnetically-Dominated Astrophysical Plasmas

WoU-MMA 合作研究:磁控天体物理等离子体中的湍流和重联

基本信息

  • 批准号:
    1903332
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 22.98万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-08-01 至 2024-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

In many astrophysical objects -- like bubbles of magnetic fields and high-energy particles powered by rapidly spinning neutron stars called pulsar wind nebulae -- magnetic fields control the overall dynamics of the hot gas of charged particles, the relativistic astrophysical plasma surrounding the object. In such astrophysical objects dissipation of magnetic energy via magnetic reconnection -- a process where magnetic field lines annihilate, releasing their energy to the particles -- may power the observed high-energy electromagnetic and particle emission. A number of recent observations such as the Crab Nebula gamma-ray flares detected by Fermi and AGILE satellites have emphasized the critical role of magnetic reconnection for the acceleration of the emitting particles in astrophysical high-energy sources. This work will include projects for undergraduate students, and the results will be disseminated to high-school students through dedicated workshops. A new program, "Astro-soup," will be implemented, where serving food to homeless people in New York City will be accompanied by discussion on astrophysical topics of relevance for this work. The overall goal of this research is to explain the puzzling phenomenology of non-thermal emission in the Crab Nebula, the prototype of pulsar wind nebulae and the most famous source in high-energy astrophysics. Its flaring and quiescent signatures will be modeled, from radio to high-energy gamma-rays, in a single physically-grounded scenario based on relativistic magnetic reconnection. Every stage of the research will combine analytical approaches with large-scale first-principles particle-in-cell simulations. The reconnection model of astrophysical high-energy sources will be placed on solid footing by studying from first principles how reconnection layers are self-consistently generated by large-scale flows occurring in the Crab Nebula and how the interplay of reconnection and fluid motions can naturally lead to efficient particle acceleration. The results will also be relevant for other flaring sources, like jets from supermassive black holes, where gamma-ray flares have recently been detected together with neutrino counterparts, thus addressing the goals of NSF's "Windows on the Universe: The Era of Multi-Messenger Astrophysics" Big Idea.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
在许多天体物理物体中——比如磁场气泡和由快速旋转的中子星(称为脉冲星风星云)提供动力的高能粒子——磁场控制带电粒子热气体的整体动力学,即物体周围的相对论天体物理等离子体。 在此类天体物理物体中,通过磁重联(磁力线湮灭,将能量释放到粒子的过程)来耗散磁能,可能会为观测到的高能电磁和粒子发射提供动力。 最近的一些观测结果,例如费米和 AGILE 卫星探测到的蟹状星云伽马射线耀斑,强调了磁重联对于天体物理高能源中发射粒子加速的关键作用。 这项工作将包括针对本科生的项目,其结果将通过专门的研讨会向高中生传播。将实施一项新计划“天文汤”,为纽约市的无家可归者提供食物,同时讨论与这项工作相关的天体物理学主题。这项研究的总体目标是解释蟹状星云中令人费解的非热发射现象,蟹状星云是脉冲星风星云的原型,也是高能天体物理学中最著名的来源。从无线电到高能伽马射线,其耀斑和静止特征将在基于相对论磁重联的单一物理接地场景中进行建模。 研究的每个阶段都将分析方法与大规模第一原理细胞内粒子模拟相结合。天体物理高能源的重联模型将从第一原理出发研究重联层如何由蟹状星云中发生的大规模流动自洽地产生,以及重联和流体运动的相互作用如何自然地导致有效的粒子加速。这些结果也与其他耀斑源相关,例如来自超大质量黑洞的喷流,最近在其中检测到了伽马射线耀斑和中微子对应物,从而实现了美国国家科学基金会“宇宙之窗:多信使时代”的目标天体物理学”大创意。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Radius-to-frequency Mapping and FRB Frequency Drifts
半径到频率映射和 FRB 频率漂移
  • DOI:
    10.3847/1538-4357/ab55de
  • 发表时间:
    2019-09-23
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    M. Lyutikov
  • 通讯作者:
    M. Lyutikov
Magnetic loading of magnetars’ flares
磁星耀斑的磁负载
FRB Periodicity: Mild Pulsars in Tight O/B-star Binaries
FRB 周期性:紧密 O/B 星双星中的温和脉冲星
  • DOI:
    10.3847/2041-8213/ab87a4
  • 发表时间:
    2020-02-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    M. Lyutikov;M. Barkov;D. Giannios
  • 通讯作者:
    D. Giannios
Radio afterglow of magnetars’ giant flares
磁星的射电余辉——巨型耀斑
  • DOI:
    10.1093/mnras/stab2151
  • 发表时间:
    2021-06-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Riddhi Mehta;M. Barkov;M. Lyutikov
  • 通讯作者:
    M. Lyutikov
Turbulent Model of Crab Nebula Radiation
蟹状星云辐射的湍流模型
  • DOI:
    10.3847/1538-4357/ab93c0
  • 发表时间:
    2020-05-13
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Yonggang Luo;M. Lyutikov;T. Temim;L. Comisso
  • 通讯作者:
    L. Comisso
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