Extreme Plasma Astrophysics

This is a science white paper submitted to the Astro-2020 and Plasma-2020 Decadal Surveys. The paper describes the present status and emerging opportunities in Extreme Plasma Astrophysics -- a study of astrophysically-relevant plasma processes taking place under extreme conditions that necessitate taking into account relativistic, radiation, and QED effects.Comment: A science white paper submitted to the Astro-2020 and Plasma-2020 Decadal Surveys. 7 pages including cover page and references. Paper updated in late March 2019 to include a several additional co-authors and references, and a few small change

Temperature-dependent magnetospectroscopy of HgTe quantum wells

We report on magnetospectroscopy of HgTe quantum wells in magnetic fields up to 45 T in temperature range from 4.2 K up to 185 K. We observe intra- and inter-band transitions from zero-mode Landau levels, which split from the bottom conduction and upper valence subbands, and merge under the applied magnetic field. To describe experimental results, realistic temperature-dependent calculations of Landau levels have been performed. We show that although our samples are topological insulators at low temperatures only, the signature of such phase persists in optical transitions at high temperatures and high magnetic fields. Our results demonstrate that temperature-dependent magnetospectroscopy is a powerful tool to discriminate trivial and topological insulator phases in HgTe quantum wells

Cosmic ray measurements in the atmosphere at several latitudes in October, 2014

Cosmic ray fluxes in the atmosphere were recorded during balloon flights in October 2014 in northern Murmansk region, Apatity (Russia; 67o33’N, 33o24’E), in Antarctica (observatory Mirny; 66o33’S, 93o00’E), in Moscow (Russia; 55o45’N, 37o37’E), in Reading (United King-dom; 51o27’N, 0o 58’W), in Mitzpe-Ramon (Israel; 30o36’N, 34o48’E) and in Zaragoza (Spain; 41o9’N, 0o54’W). Two type of cosmic ray detectors were used, namely, (1) the standard ra-diosonde and its modification constructed at the Lebedev Physical Institute (Moscow, Russia) and (2) the device manufactured at the Reading University (Reading, United Kingdom). We compare and analyze obtained data and focus on the estimation of the cosmic ray latitudinal effect in the atmosphere

Black Hole Flares: Ejection of Accreted Magnetic Flux through 3D Plasmoid-mediated Reconnection

Magnetic reconnection can power bright, rapid flares originating from the inner magnetosphere of accreting black holes. We conduct extremely high-resolution (5376 × 2304 × 2304 cells) general-relativistic magnetohydrodynamics simulations, capturing plasmoid-mediated reconnection in a 3D magnetically arrested disk for the first time. We show that an equatorial, plasmoid-unstable current sheet forms in a transient, nonaxisymmetric, low-density magnetosphere within the inner few Schwarzschild radii. Magnetic flux bundles escape from the event horizon through reconnection at the universal plasmoid-mediated rate in this current sheet. The reconnection feeds on the highly magnetized plasma in the jets and heats the plasma that ends up trapped in flux bundles to temperatures proportional to the jet's magnetization. The escaped flux bundles can complete a full orbit as low-density hot spots, consistent with Sgr A* observations by the GRAVITY interferometer. Reconnection near the horizon produces sufficiently energetic plasma to explain flares from accreting black holes, such as the TeV emission observed from M87. The drop in the mass accretion rate during the flare and the resulting low-density magnetosphere make it easier for very-high-energy photons produced by reconnection-accelerated particles to escape. The extreme-resolution results in a converged plasmoid-mediated reconnection rate that directly determines the timescales and properties of the flare

Magnetar bursts due to Alfv\'{e}n wave nonlinear breakout

The most common form of magnetar activity is short X-ray bursts, with durations from milliseconds to seconds, and luminosities ranging from $10^{36}$ to $10^{43}\ {\rm erg}\,{\rm s}^{-1}$. Recently, an X-ray burst from the galactic magnetar SGR 1935+2154 was detected to be coincident with two fast radio burst (FRB) like events from the same source, providing evidence that FRBs may be linked to magnetar bursts. Using fully 3D force-free electrodynamics simulations, we show that such magnetar bursts may be produced by Alfv\'{e}n waves launched from localized magnetar quakes: a wave packet propagates to the outer magnetosphere, becomes nonlinear, and escapes the magnetosphere, forming an ultra-relativistic ejecta. The ejecta pushes open the magnetospheric field lines, creating current sheets behind it. Magnetic reconnection can happen at these current sheets, leading to plasma energization and X-ray emission. The angular size of the ejecta can be compact, $\lesssim 1$ sr if the quake launching region is small, $\lesssim 0.01$ sr at the stellar surface. We discuss implications for the FRBs and the coincident X-ray burst from SGR 1935+2154.Comment: 14 pages, 11 figures, accepted for publication in Ap

ВПЛИВ ПЕПТИДОГЛІКАНУ ЗОЛОТИСТОГО СТАФІЛОКОКА НА СПОНТАННУ СКОРОТЛИВУ АКТИВНІСТЬ МІОМЕТРІЯ ВАГІТНИХ ЩУРІВ

Peptidoglycan of Staphylococcus aureus is a structural element of the bacterial cell wall. It is released during the lifespan of bacterial cells and propagated by the bloodstream to the cells with tropism to it. In such tissues it is able to initiate some pathological processes. Staphylococcus aureus is often sown from the female genitourinary tract. It is known that the interaction of peptidoglycan with endothelial and decidual cells of the uterus during pregnancy initiates such complications as preeclampsia, stimulation of uterine contractility, and preterm birth. However, the mechanisms of action of peptidoglycan on the myometrium have not yet been precisely studied. The aim – to determine whether peptidoglycan affects the myometrial spontaneous contractility in pregnant rats when the endometrium is removed, to study the character of spontaneous myometrial contractions in pregnant rats under peptidoglycan and the mechanisms of the revealed effects. Material and Methods. The experiments were conducted on myometrial smooth muscle strips of pregnant Wistar rats. The myometrial contractility was studied by tensometry method. Results. Experimental results showed that peptidoglycan modulates all the main parameters of spontaneous uterine contractions in the absence of endometrium. It increased the amplitude and duration of contractions by an average of 18.5 % and 16 %, respectively. At the same time, the frequency of spontaneous contractions decreased by an average of 10.5 %. A number of parameters indicated an increase in the intensity of myometrial contractions under peptidoglycan. In addition, the ratio of the contraction phases changed: under the action of peptidoglycan, myometrial spontaneous contractions had a relatively short but high-amplitude contraction phase, a rather long tonic component, and slow relaxation. The indicated phases of myometrial contractions under peptidoglycan increased by an average of 11.26 %, 69.23 % and 44.34 %, respectively. Under the blockers of L-type potential-gated calcium channels and IP3-receptors, peptidoglycan did not stimulate myometrial contractions. Conclusions. The peptidoglycan has a stimulating effect on myometrial spontaneous contractility by acting directly on the myometrium. The modulating effect of peptidoglycan on myometrial contractility in pregnant rats is associated with an increase in the intracellular calcium level in smooth uterine myocytes, which is achieved due to an increase in the transmembrane calcium entry and its release from the sarcoplasmic reticulum.Пептидогликан Золотистого стафилококка – структурный элемент бактериальной клеточной стенки, который высвобождается в течение жизнедеятельности микроорганизма и разносится кровью по организму. Оседая на тропных клетках, он реализует патогенные и иммуногенные свойства. Золотистый стафилококк достаточно часто высевается из мочеполовой системы женщин. Известно, что взаимодействие пептидогликана с эндотелиальными и децидуальными клетками матки во время беременности инициирует такие осложнения, как преэклампсия, стимуляция сократительной активности матки, преждевременное прерывание беременности. Однако до сих пор точно не изучены механизмы действия пептидогликана на миометрий. Цель – определить, влияет ли пептидогликан на спонтанную сократимость миометрия беременных крыс в условиях отсутствия эндометрия, изучить характер спонтанных сокращений миометрия беременных крыс под действием пептидогликана и механизмы обнаруженных эффектов. Материал и методы. Опыты проводили на гладкомышечных полосках миометрия беременных крыс линии Вистар. Сократимость миометрия изучали методом тензометрии. Результаты. Результаты экспериментов показали, что пептидогликан модулирует все основные параметры спонтанных маточных сокращений при отсутствии эндометрия. Он увеличивал амплитуду и длительность сокращений в среднем на 18,5 % и 16 % соответственно. В то же время, частота спонтанных сокращений уменьшилась в среднем на 10,5 %. Ряд параметров свидетельствовал об увеличении интенсивности сокращений миометрия под действием пептидогликана. Кроме того, менялось соотношение фаз сокращений: под действием пептидогликана спонтанные сокращения миометрия имели относительно короткую, но высокоамплитудную фазу сокращения, достаточно длительный тонический компонент и медленное расслабление. Указанные фазы сокращения миометрия на фоне действия пептидогликана увеличились в среднем на 11,26 %, 69,23 % и 44,34 % соответственно. На фоне блокаторов потенциалзависимых кальциевых каналов L-типа и ИФ3-рецепторов пептидогликан не стимулировал сокращение миометрия. Выводы. Пептидогликан имеет стимулирующее действие на спонтанную сократительность миометрия путем воздействия непосредственно на миометрий. Модулирующее влияние пептидогликана на сократимость миометрия беременных крыс связана с увеличением внутриклеточного уровня кальция в гладких миоцитах матки, что достигается благодаря усилению трансмембранного входа кальция и его высвобождению из саркоплазматического ретикулума.Пептидоглікан Золотистого стафілокока – структурний елемент бактеріальної клітинної стінки, який вивільнюється протягом життєдіяльності мікроорганізму та розноситься кровотоком по організму. Осідаючи на тропних клітинах він реалізує патогенні та імуногенні властивості. Золотистий стафілокок досить часто висівається із сечостатевої системи жінок. Відомо, що взаємодія пептидоглікану з ендотеліальними та децидуальними клітинами матки під час вагітності ініціює такі ускладнення, як прееклампсія, стимуляція скоротливості активності матки, передчасне переривання вагітності. Однак досі достеменно не вивчені механізми дії пептидоглікану на міометрій. Мета – визначити, чи впливає пептидоглікан на спонтанну скоротливість міометрія вагітних щурів за умов відсутності ендометрія, вивчити характер спонтанних скорочень міометрія вагітних щурів під дією пептидоглікану та механізми виявлених ефектів. Матеріал і методи. Досліди проводили на гладеньком’язових смужках міометрія вагітних щурів лінії Вістар. Скоротливість міометрія вивчали методом тензометрії. Результати. Результати експериментів показали, що, пептидоглікан модулює всі основні параметри спонтанних маткових скорочень за умов відсутності ендометрія. Він збільшував амплітуду та тривалість скорочень у середньому на 18,5 % та 16 %, відповідно. Водночас частота спонтанних скорочень зменшилась у середньому на 10,5 %. Ряд параметрів скорочень міометрія свідчить про збільшення їх інтенсивності під дією пептидоглікану. Крім того, змінювалось співвідношення фаз скорочень міометрія: під дією пептидоглікану спонтанні скорочення міометрія мали відносно коротку, але високоамплітудну фазу скорочення, досить тривалий тонічний компонент та повільне розслаблення. Вказані фази скорочення міометрія на тлі дії пептидоглікану збільшились у середньому на 11,26 %, 69,23 % та 44,34 % відповідно. На тлі блокаторів потенціал керованих кальцієвих каналів L-типу та ІП3-рецепторів пептидоглікан не стимулював скорочення міометрія. Висновки. Пептидоглікан має стимулювальну дію на спонтанну скоротливість міометрія шляхом впливу безпосередньо на міометрій. Модулювальний вплив пептидоглікану на скоротливість міометрія вагітних щурів пов’язаний зі збільшенням внутрішньоклітинного рівня кальцію в гладеньких міоцитах матки, що досягається завдяки посиленню трансмембранного входу кальцію та вивільненню із саркоплазматичного ретикулуму

Synchrotron Polarization Signatures of Surface Waves in Supermassive Black Hole Jets

Supermassive black holes in active galactic nuclei are known to launch relativistic jets, which are observed across the entire electromagnetic spectrum and thought to be efficient particle accelerators. Their primary radiation mechanism for radio emission is polarized synchrotron emission produced by a population of nonthermal electrons. In this Letter, we present a global general relativistic magnetohydrodynamical (GRMHD) simulation of a magnetically arrested disk (MAD). After the simulation reaches the MAD state, we show that waves are continuously launched from the vicinity of the black hole and propagate along the interface between the jet and the wind. At this interface, a steep gradient in velocity is present between the mildly relativistic wind and the highly relativistic jet. The interface is, therefore, a shear layer, and due to the shear, the waves generate roll-ups that alter the magnetic field configuration and the shear layer geometry. We then perform polarized radiation transfer calculations of our GRMHD simulation and find signatures of the waves in both total intensity and linear polarization, effectively lowering the fully resolved polarization fraction. The telltale polarization signatures of the waves could be observable by future very long baseline interferometric observations, e.g., the next-generation Event Horizon Telescope