[論文レビュー] A Phase Lag between Disk and Corona in GRMHD Simulations of Precessing Tilted Accretion Disks

Matthew Liska, Casper Hesp+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、急速に回転するブラックホール（a ≈ 0.9）のまわりで、非常に傾いた（60°）、中程度に薄い降着円盤の最初のGRMHDシミュレーションを提示し、回転する円盤とその上層のコロナの間で10°以上の位相差が生じることを明らかにした。遅れが生じたコロナは、より硬い非熱的X線放射を発し、円盤の放射よりも遅れて発生する。これは、X線連星におけるタイプC低周波準周期的揺動（QPO）で観測された硬いエネルギーの遅れを説明する物理的メカニズムを提供する。

ABSTRACT

In the course of its evolution, a black hole (BH) accretes gas from a wide range of directions. Given a random accretion event, the typical angular momentum of an accretion disc would be tilted by $\sim$60$^\circ$ relative to the BH spin. Misalignment causes the disc to precess at a rate that increases with BH spin and tilt angle. We present the first general-relativistic magnetohydrodynamic (GRMHD) simulations spanning a full precession period of highly tilted (60$^\circ$), moderately thin ($h/r=0.1$) accretion discs around a rapidly spinning ($a\simeq0.9$) BH. While the disc and jets precess in phase, we find that the corona, sandwiched between the two, lags behind by $\gtrsim 10^{\circ}$. For spectral models of BH accretion, the implication is that hard non-thermal (corona) emission lags behind the softer (disc) emission, thus potentially explaining some properties of the hard energy lags seen in Type-C low frequency quasi-periodic oscillations in X-Ray binaries. While strong jets are unaffected by this disc-corona lag, weak jets stall when encountering the lagging corona at distances $r \sim 100$ black hole radii. This interaction may quench large-scale jet formation.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論的フレームドラッグ（レンス＝シルリング進化）に対する、非常に傾いた中程度に薄い降着円盤の動的応答を調査すること。
• ずれのある降着流におけるコロナおよびジェット成分が円盤に対してどのように進化するかを特定すること。
• 円盤とコロナの位相差が観測されるX線タイミング特徴、特にタイプC QPOにおける硬いエネルギー遅れに与える影響を調査すること。
• 遅れが生じたコロナが、特に弱いパワーを持つジェットに与える影響を評価すること。

提案手法

• 3次元一般相対性理論的磁気流体力学（GRMHD）流れを、球座標系グリッド上でH-AMRコードを用いてシミュレートし、解像度1372×480×738で、MRI波長をQ ≥ 10×10×40で解像した。
• 急速に回転するブラックホール（a ≈ 0.9）と、次元なしの高さh/r = 0.1を有する非常に傾いた円盤（60°）を用い、ハード状態X線連星を代表する。
• 時間平均スナップショットを用いて、全進化周期にわたり円盤およびコロナの進化角と傾きを追跡した。
• r = 10⁵ r_gで流出境界条件を適用し、事象の地平線内に内側境界を設け、因果的分離を確保した。
• 粘性輸送および有効粘性係数α_effを評価するために、マクスウェルおよびレイノルズ応力成分を分析した。
• 強力なジェット（S-T60）と弱いジェット（W-T60）モデルを比較し、遅れが生じたコロナとのジェット-ジェット相互作用を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転する傾いた降着円盤におけるコロナは、円盤の進化位相に対して遅れるか。もしそうなら、どの程度の遅れが生じるか？
• RQ2 観測されたタイプC QPOにおける硬X線エネルギー遅れは、円盤とコロナの放射の位相差によって説明可能か？
• RQ3 位相差が、特に弱いパワーを持つジェットの進化にどのように影響するか？
• RQ4 有効粘性係数は、円盤-コロナの位相差を維持するか、あるいは破壊するかに果たす役割は何か？
• RQ5 回転するジェットと遅れが生じたコロナの相互作用は、ジェットの停止または短絡を引き起こすか？

主な発見

• 円盤とジェットは位相を合わせて進化するが、円盤風／コロナは円盤よりも10°以上遅れ、時間とともに遅れが増大する。
• 全進化周期にわたり、位相差は最大40°に達し、観測されたタイプC QPOにおける硬いエネルギー遅れの大きさと進化 timescale と一致する。
• 遅れが生じたコロナは、弱いジェットをr ≲ 100 r_gで停止させる物理的障壁として機能し、そのコラムネーションを破壊し、大規模なジェット形成を抑制する可能性がある。
• S-T60モデルの強力なジェットは遮られることなく進行するが、W-T60モデルの弱いジェットは遅れが生じたコロナとの相互作用によって破壊され、停止する。
• マクスウェルおよびレイノルズ応力は内側円盤（r < 10 r_g）で最大となるが、それらの合計は有効粘性を説明するには不十分であり、複雑な角運動量輸送を示唆する。
• 位相差は、より高いQPO周波数（>2 Hz）における硬い遅れからソフトな遅れへの遷移を説明できる可能性がある。これは、より小さな内側円盤がコロナの硬さを円盤に対して相対的に低下させるためである。