[論文レビュー] A Scheme to Unify Low-Power Accreting Black Holes - Jet-Dominated Accretion Flows and the Radio/X-Ray Correlation

H. Falcke, Elmar Körding+1 more|ArXiv.org|May 19, 2003

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 52被引用数 427

ひとこと要約

本論文は、X線連星、Sgr A*、LINER、FR I電波銀河、およびBL Lacsを含む低消費電力の降着ブラックホールを統一的に説明するフレームワークを提案する。これらはすべて、臨界降着率未満の状態でジェット優勢降着流（JDAF）状態にあり、ブラックホール質量でスケーリングした場合、普遍的な電波/X線相関関係を示す。この相関関係は、すべての源タイプにおいて一貫した非線形な電波とX線放射率のスケーリングを示している。

ABSTRACT

We explore the evolution in power of black holes of all masses, and their associated jets, within the scheme of an accretion rate-dependent state transition. Below a critical value of the accretion rate all systems are assumed to undergo a transition to a state where the dominant accretion mode is optically thin and radiatively inefficient. In these significantly sub-Eddington systems, the spectral energy distribution is predicted to be dominated by non-thermal emission from a relativistic jet whereas near-Eddington black holes will be dominated instead by emission from the accretion disk. Reasonable candidates for such a sub-Eddington state include X-ray binaries in the hard and quiescent states, the Galactic Center (Sgr A*), LINERs, FR I radio galaxies, and a large fraction of BL Lac objects. Standard jet physics predicts non-linear scaling between the optically thick (radio) and optically thin (optical or X-ray) emission of these systems, which has been confirmed recently in X-ray binaries. We show that this scaling relation is also a function of black hole mass and only slightly of the relativistic Doppler factor. Taking the scaling into account we show that indeed hard and quiescent state X-ray binaries, LINERs, FR I radio galaxies, and BL Lacs can be unified and fall on a common radio/X-ray correlation. This suggests that jet domination is an important stage in the luminosity evolution of accreting black hole systems.

研究の動機と目的

• X線連星、Sgr A*、LINER、FR I電波銀河、およびBL Lacsといった多様な低消費電力ブラックホール系を、一つの降着状態で統一すること。
• ブラックホール質量や降着状態にかかわらず観測される電波/X線相関関係を説明する長年の課題に取り組むこと。
• 降着率がEddington率未満のシステムではジェット優勢降着流（JDAF）が放射出力の主因となり、ディスク優勢放射を置き換えること。
• 電波とX線放射率の非線形なスケーリングが、ブラックホール質量で補正された後も、さまざまな源が一つの相関関係に収束することを示すこと。
• 相対論的ジェット物理学と質量スケーリングされたジェット加速領域を用いて、観測される電波/X線相関関係の物理的根拠を提供すること。

提案手法

• Eddington光度の約1–10％未塔の降着率以下で、放射効率が低いジェット優勢降着流（JDAF）への遷移を提案する。
• 非熱的ジェット放射モデルを適用し、平坦な電波スペクトルとパワー則的X線放射が支配的なスペクトルエネルギー分布（SED）を予測する。
• ジェット物理学から導かれる電波とX線放射率の非線形スケーリング則を用い、加速半径が約100–1000重力半径の固定値であると仮定する。
• ブラックホール質量で観測放射率を補正し、質量が著しく異なる源間での電波/X線相関関係の普遍性を検証する。
• X線連星（XRBs）、Sgr A*、LINERs、FR I電波銀河、およびBL Lacsの観測電波およびX線放射率を、予測された相関関係と比較する。
• 放射率の比較を可能にするために、ブラックホール質量のスケーリング係数として約3×10⁹ M☉を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な低消費電力ブラックホール系に観測される電波/X線相関関係は、共通の物理的起源によって説明可能か？
• RQ2 ジェット優勢降着流（JDAF）は、恒星質量および超大質量スケールの降着ブラックホールに対して、統一的フレームワークを提供するか？
• RQ3 ブラックホール質量が、低消費電力システムにおける電波/X線放射率スケーリングにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 電波とX線放射率の非線形スケーリングは、相対論的ジェットモデルの予測と一貫しているか？
• RQ5 ディスク優勢からジェット優勢への遷移は、降着状態に応じたブラックホールのスペクトル的および放射率的進化を説明できるか？

主な発見

• X線連星のハード/静止状態、Sgr A*、LINER、FR I電波銀河、およびBL Lacsを含む低消費電力降着ブラックホールは、すべて質量補正済みの電波/X線相関関係に一致する。
• 電波とX線放射率のスケーリングは、ジェット物理学から予測された非線形関係に従い、すべての源タイプで一貫したべき乗則指数を示す。
• 観測された相関関係は、ディスク放射ではなく、相対論的ジェットからの非熱的放射が支配する共通のSEDによって最もよく説明される。
• 臨界降着率の閾値（Eddingtonの約1–10％）を下回ると、ジェット優勢状態への遷移が発生し、ジェットの放射が降着ディスクを上回る。
• ジェットのX線放射は、固定された質量スケーリング半径（約100–1000 Rg）で発生すると考えられ、ブラックホール質量にかかわらず安定したスケーリングを説明する。
• 質量補正を施した場合、Sgr A*およびLLAGNの観測放射率はモデルでうまく説明できるが、フレア状態ではX線放射率が高いためわずかなずれを示す。