Computational tools for studying neutrino and cosmic ray emissions from relativistic astrophysical magneto-hydrodymanical outflows

Abstract

Black hole X-ray binaries (BHXRBs) constitute some of the most prominent sources of detectable multi-wavelength emission reaching the Earth. The accretion disks surrounding the central black holes are some of the most luminous X-ray galactic sources. At the same time, the relativistic plasma outflows ejected away from the center form observable radio lobes producing even high-energy gamma-rays and neutrinos. Those are detectable by space telescopes and detectors, such as MAGIC, Fermi-LAT, IceCube, and KM3NeT. However, very high-energy emissions have rarely been recorded from those sources despite the numerous theoretical predictions. We aim to explain this phenomenon by developing a numerical C code that models the broadband emission from lepto-hadronic jets. We estimate that the prospects of neutrino detection from all studied XRBs are minimal, except for Cygnus X-1 in the 0.1 - 1 TeV range, with jet-particle cooling playing a detrimental role, specifically below 100 GeV. Likewise, the high-energy emissions from relativistic jets are heavily absorbed in the 0.01 - 20 TeV range, where most gamma-ray telescopes operate. That along with the weak outflow collimation away from the black hole and the source inclination potentially explains the lack of relevant observations.Regarding accretion disks, the observed thermal spectra are essentially shaped by numerous gravitational effects near the black hole that require General Relativity to resolve. Therefore, the present thesis introduces a novel, straightforward approach for calculating relativistic spectra by employing the Shakura-Sunyaev disk model with a spin-dependent temperature profile and an inner disk radius determined by the Kerr metric and the viewing angle. This approach fully agrees with the relativistic treatment of the Novikov-Thorne model and the KERRBB numerical code within a 0.03-4% error margin, establishing a much simpler alternative in measuring black hole spins through the continuum-fitting method.

Τα διπλά συστήματα μελανών οπών (BHXRBs) αποτελούν μερικές από τις πιο εξέχουσες πηγές ανιχνεύσιμης ακτινοβολίας που φτάνουν στη Γη. Οι δίσκοι προσαύξησης που περιβάλλουν τις κεντρικές μαύρες τρύπες είναι μερικές από τις πιο φωτεινές γαλαξιακές πηγές ακτινοβολίας-Χ. Ταυτόχρονα, οι σχετικιστικές εκροές πλάσματος που εκτοξεύονται μακριά από το κέντρο σχηματίζουν παρατηρήσιμους ραδιολοβούς, οι οποίοι παράγουν ακόμη και ακτίνες-γ υψηλής ενέργειας και νετρίνα. Αυτά είναι ανιχνεύσιμα από διαστημικά τηλεσκόπια και ανιχνευτές, όπως είναι τα MAGIC, Fermi-LAT, IceCube και KM3NeT. Ωστόσο, εκπομπές υψηλής ενέργειας σπάνια έχουν καταγραφεί από τέτοιες πηγές παρά τις πολυάριθμες θεωρητικές προβλέψεις. Στόχος μας είναι να εξηγήσουμε αυτό το φαινόμενο αναπτύσσοντας έναν αριθμητικό κώδικα C, ο οποίος μοντελοποιεί τα εκπεμπόμενα φάσματα ακτινοβολίας από λεπτο-αδρονικούς πίδακες. Υπολογίζουμε ότι οι προοπτικές ανίχνευσης νετρίνων από όλα τα XRB που μελετήθηκαν είναι ελάχιστες, εκτός από τον Cygnus X-1 στην περιοχή 0,1 - 1 TeV, με τις ενεργειακές απώλειες των σωματιδίων του πίδακα να παίζουν κυρίαρχο ρόλο, ιδιαίτερα για ενέργειες χαμηλότερες από 100 GeV. Ομοίως, οι εκπομπές υψηλής ενέργειας από σχετικιστικούς πίδακες απορροφώνται σε μεγάλο βαθμό στο εύρος 0,01 - 20 TeV, όπου λειτουργούν τα περισσότερα τηλεσκόπια ακτίνων-γ. Αυτό σε συνδυασμό με την ασθενή ευθυγράμμιση της εκροής του πίδακα μακριά από τη μαύρη τρύπα και την γωνία παρατήρησης της πηγής εξηγεί πιθανώς την έλλειψη σχετικών παρατηρήσεων.Όσον αφορά τους δίσκους προσαύξησης, τα παρατηρούμενα θερμικά φάσματα διαμορφώνονται σε μεγάλο βαθμό από τα πολυάριθμα βαρυτικά φαινόμενα κοντά στη μαύρη τρύπα, καθιστώντας απαραίτητη τη Γενική Σχετικότητα. Ως εκ τούτου, η παρούσα διατριβή εισάγει μια νέα, απλή προσέγγιση για τον υπολογισμό των σχετικιστικών φασμάτων χρησιμοποιώντας το μοντέλο δίσκου Shakura-Sunyaev με θερμοκρασιακή εξάρτηση από το σπιν και μια εσωτερική ακτίνα δίσκου που καθορίζεται από τη μετρική Kerr και τη γωνία παρατήρησης. Η προσέγγιση αυτή συμφωνεί πλήρως με τη σχετικιστική περιγραφή του μοντέλου Novikov-Thorne και του αριθμητικού κώδικα KERRBB με σφάλμα κοντά στο 0,03-4%, καθιερώνοντας μια πολύ απλούστερη εναλλακτική λύση για τη μέτρηση του σπιν μελανών οπών μέσω της μεθόδου προσαρμογής του συνεχούς φάσματος του δίσκου.