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黑洞吸积流冕在硬态和软态下的辐射等离子体模拟。

Radiative plasma simulations of black hole accretion flow coronae in the hard and soft states.

作者信息

Nättilä Joonas

机构信息

Department of Physics, University of Helsinki, P.O. Box 64, FI-00014, University of Helsinki, Finland.

Physics Department and Columbia Astrophysics Laboratory, Columbia University, 538 West 120th Street, New York, NY, 10027, USA.

出版信息

Nat Commun. 2024 Aug 15;15(1):7026. doi: 10.1038/s41467-024-51257-1.

DOI:10.1038/s41467-024-51257-1
PMID:39147748
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11327351/
Abstract

Stellar-mass black holes in x-ray binary systems are powered by mass transfer from a companion star. The accreted gas forms an accretion disk around the black hole and emits x-ray radiation in two distinct modes: hard and soft state. The origin of the states is unknown. We perform radiative plasma simulations of the electron-positron-photon corona around the inner accretion flow. Our simulations extend previous efforts by self-consistently including all the prevalent quantum electrodynamic processes. We demonstrate that when the plasma is turbulent, it naturally generates the observed hard-state emission. In addition, we show that when soft x-ray photons irradiate the system-mimicking radiation from an accretion disk-the turbulent plasma transitions into a new equilibrium state that generates the observed soft-state emission. Our findings demonstrate that turbulent motions of magnetized plasma can power black-hole accretion flow coronae and that quantum electrodynamic processes control the underlying state of the plasma.

摘要

X射线双星系统中的恒星质量黑洞由伴星的物质转移提供能量。吸积的气体在黑洞周围形成一个吸积盘,并以两种不同模式发射X射线辐射:硬态和软态。这两种状态的起源尚不清楚。我们对内吸积流周围的电子-正电子-光子冕进行了辐射等离子体模拟。我们的模拟通过自洽地纳入所有普遍的量子电动力学过程,扩展了先前的研究。我们证明,当等离子体呈湍流状态时,它自然会产生观测到的硬态辐射。此外,我们还表明,当软X射线光子照射该系统(模拟来自吸积盘的辐射)时,湍流等离子体会转变为一种新的平衡状态,从而产生观测到的软态辐射。我们的研究结果表明,磁化等离子体的湍流运动可以为黑洞吸积流冕提供能量,并且量子电动力学过程控制着等离子体的基本状态。

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