Kinetic simulations and gamma-ray signatures of Klein-Nishina relativistic magnetic reconnection

被引:4
作者
Mehlhaff, J. [1 ,2 ]
Werner, G. [2 ]
Cerutti, B. [1 ]
Uzdensky, D. [2 ]
Begelman, M. [3 ,4 ,5 ]
机构
[1] Univ Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, F-38000 Grenoble, France
[2] Univ Colorado, Ctr Integrated Plasma Studies, Phys Dept, 390 UCB, Boulder, CO 80309 USA
[3] Univ Colorado, JILA, 440 UCB, Boulder, CO 80309 USA
[4] NIST, 440 UCB, Boulder, CO 80309 USA
[5] Univ Colorado, Dept Astrophys & Planetary Sci, 391 UCB, Boulder, CO 80309 USA
基金
欧洲研究理事会;
关键词
acceleration of particles; magnetic reconnection; radiation mechanisms: general; relativistic processes; gamma-rays: general; NONTHERMAL PARTICLE-ACCELERATION; HIGH-ENERGY EMISSION; INVERSE COMPTON EMISSION; FAST TEV VARIABILITY; LARGE-AREA TELESCOPE; PSR B1259-63/LS 2883; IN-CELL SIMULATIONS; AGN DUSTY TORI; FERMI-LAT; MULTIWAVELENGTH OBSERVATIONS;
D O I
10.1093/mnras/stad3863
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
Black hole and neutron star environments often comprise collisionless plasmas immersed in strong magnetic fields and intense baths of low-frequency radiation. In such conditions, relativistic magnetic reconnection can tap the magnetic field energy, accelerating high-energy particles that rapidly cool by inverse Compton (IC) scattering the dense photon background. At the highest particle energies reached in bright gamma-ray sources, IC scattering can stray into the Klein-Nishina regime. Here, the Comptonized photons exceed pair-production threshold with the radiation background and may thus return their energy to the reconnecting plasma as fresh electron-positron pairs. To reliably characterize observable signatures of such Klein-Nishina reconnection, in this work, we present first-principles particle-in-cell simulations of pair-plasma relativistic reconnection coupled to Klein-Nishina and pair-production physics. The simulations show substantial differences between the observable signatures of Klein-Nishina reconnection and reconnection coupled only to low-energy Thomson IC cooling (without pair production). The latter regime exhibits strong harder-when-brighter behaviour; the former involves a stable spectral shape independent of overall brightness. This spectral stability is reminiscent of flat-spectrum radio quasar (FSRQ) GeV high states, furnishing evidence that Klein-Nishina radiative physics operates in FSRQs. The simulated Klein-Nishina reconnection pair yield spans from low to order-unity and follows an exponential scaling law in a single governing parameter. Pushing this parameter beyond its range studied here might give way to a copious pair-creation regime. Besides FSRQs, we discuss potential applications to accreting black hole X-ray binaries, the M87* magnetosphere, and gamma-ray binaries.
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