[論文レビュー] A Simulation Study of Ultra-relativistic Jets -- II. Structures and Dynamics of FR-II Jets

Jeongbhin Seo, Hyesung Kang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 85被引用数 16

ひとこと要約

本研究は、高次WENOスキームと現実的な状態方程式を用いた3次元相対論的流体力学シミュレーションを用い、FR-II電波銀河内の超相対論的ジェットを調査した。ジェット出力が主に形状を決定し、高出力ジェットは細長いココンを形成するのに対し、低出力ジェットは広がり、乱流を示すココンを形成することが判明した。衝撃波と乱流によるエネルギー散逸は特にバックフラウの領域で顕著であり、超高エネルギー宇宙線の複数の加速機構が存在する可能性を示唆している。

ABSTRACT

We study the structures of ultra-relativistic jets injected into the intracluster medium (ICM) and the associated flow dynamics, such as shocks, velocity shear, and turbulence, through three-dimensional relativistic hydrodynamic (RHD) simulations. To that end, we have developed a high-order accurate RHD code, equipped with a weighted essentially non-oscillatory (WENO) scheme and a realistic equation of state (Seo et al. 2021, Paper I). Using the code, we explore a set of jet models with the parameters relevant to FR-II radio galaxies. We confirm that the overall jet morphology is primarily determined by the jet power, and the jet-to-background density and pressure ratios play secondary roles. Jets with higher powers propagate faster, resulting in more elongated structures, while those with lower powers produce more extended cocoons. Shear interfaces in the jet are dynamically unstable, and hence, chaotic structures with shocks and turbulence develop. We find that the fraction of the jet-injected energy dissipated through shocks and turbulence is greater in less powerful jets, although the actual amount of the dissipated energy is larger in more powerful jets. In lower power jets, the backflow is dominant in the energy dissipation owing to the broad cocoon filled with shocks and turbulence. In higher power jets, by contrast, both the backflow and jet spine flow are important for the energy dissipation. Our results imply that different mechanisms, such as diffusive shock acceleration, shear acceleration, and stochastic turbulent acceleration, may be involved in the production of ultra-high energy cosmic rays in FR-II radio galaxies.

研究の動機と目的

• FR-II電波銀河内の超相対論的ジェットの構造的・動的性質を理解すること、特に衝撃波、速度勾配、乱流の役割を特定すること。
• 異なるジェット領域およびジェット出力域におけるエネルギー散逸メカニズム（衝撃波と乱流）を定量すること。
• FR-II環境における超高エネルギー宇宙線（UHECR）の加速に有効な複数の粒子加速機構（例：拡散的衝撃加速、せん断加速、乱流加速）の妥当性を評価すること。
• 新開発された高次RHDコード（WENOおよびSSPRKスキームを併用）の性能と精度を、相対論的ジェット力学のシミュレーションにおいて検証すること。
• 二次的パラメータ（ジェット対背景密度比および圧力比）がジェットの形状とエネルギー散逸に与える影響を検討すること。

提案手法

• 高精度と安定性を確保するため、5次精度の有限差分WENO空間再構成と4次精度のSSPRK時間積分を用いた3次元相対論的流体力学（RHD）コードを採用した。
• ジェットとクェィーク中間媒体（ICM）界面における熱力学的挙動を正確にモデル化するため、相対論的状態方程式（RC-EOS）を用いた。
• FR-IIに特徴的なパラメータを焦点に、ジェット出力（Qj）、ジェット対背景密度比（η）、圧力比（ζ）を変化させたジェットモデルのシリーズをシミュレーションした。
• マッハ数（Ms）の分布と衝撃波表面の形状を用いて衝撃波の性質を定量化。速度勾配は∂vz/∂rおよび相対論的せん断係数Srを用いて分析した。
• 渦度（ΩtおよびΩ−）とパワースペクトル密度（Pv(k) ∝ k−5/3）を用いて乱流を測定し、コルモゴロフスケーリングが確認された。
• 正規化されたエネルギー散逸率（Lshock,tot/QjおよびLturb,tot/Qj）を計算し、異なるモデル間での衝撃波および乱流による散逸を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジェット出力（Qj）は、ICM内を伝播する超相対論的FR-IIジェットの全体的形状と伝播速度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 衝撃波と乱流によるジェット運動エネルギーの散逸に占める相対的寄与は何か？また、これはジェット出力に依存するか？
• RQ3 ジェット構造のどの領域—ジェットの脊髄部、バックフラウ、または衝撃を受けたICM—で衝撃波と速度勾配が最も強く、それぞれの特徴的なマッハ数とせん断係数は何か？
• RQ4 ジェット誘発ココンの異なる領域における乱流および渦度の分布はどのように変化し、それらは粒子加速にどのような役割を果たすか？
• RQ5 衝撃波および乱流による散逸率はジェット出力にどのようにスケーリングするか？また、ηおよびζのような二次的パラメータに敏感か？

主な発見

• ジェット出力（Qj）がジェット形状を支配する主要要因である：高出力ジェットでは高速伝播とより細長いココンが形成され、低出力ジェットでは広がり、より乱流的なココンが形成される。
• 低出力ジェット（Q45ではLshock,tot/Qj ≈ 0.5–1.0、Q46では0.45–0.8）では、衝撃波によるエネルギー散逸率が高く、高出力ジェット（Q47ではLshock,tot/Qj ≈ 0.1–0.15）よりも高いが、総散逸エネルギーは高出力ジェットの方が大きい。
• 低出力ジェット（Q45、Q46）では、バックフラウが衝撃波と乱流によるエネルギー散逸を主に担う。一方、高出力ジェット（Q47）では、バックフラウとジェット脊髄部の両方が重要な寄与を示す。
• 乱流による散逸率（Lturb,tot/Qj）は、Q45とQ46モデルでバックフラウ領域に最も高く、それぞれ約0.65および約0.25に達する。Q47モデルでは、衝撃波散逸と同等の水準（約0.07）にまで達する。
• バッシュショックにおけるマッハ数（Ms）は約3〜13の範囲にあり、Qjが増加するにつれて増加する。乱流領域ではMsの分布がべき乗則に従い、ジェット脊髄部ではMs ≲5、バックフラウではMs ≲2である。
• 相対論的せん断係数Srは、ジェット脊髄部で約0.1〜0.2のピークを示し、バックフラウでは約10−3〜10−2の範囲に達する。これは、宇宙線の段階的および離散的せん断加速の大きな可能性を示唆している。