[論文レビュー] Acceleration of wind in optically thin and thick black hole accretion disks simulated in general relativity

Anton Moller, Aleksander Sądowski|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、一般相対論的磁気流体力学的シミュレーションを用いて、光学的に薄いおよび濃いブラックホール降着円盤における風加速メカニズムを分析する。加速は断続的であることが判明し、濃い円盤では放射圧が支配的であり、薄い円盤では磁気・熱的力が支配的である。また、ブラックホール付近や磁化領域ではニュートン的力の近似が失敗することが示された。

ABSTRACT

We study the force balance and resulting acceleration of gas in general relativity basing on simulations of accretion on a stellar-mass, non-rotating black hole. We compare properties of acceleration in an optically thin, radiatively inefficient disk, and in an optically thick, super-critical disk accreting at 10 times the Eddington rate. We study both the average forces acting at given location and forces acting on a gas parcel along its trajectory. We show that the acceleration is not a continuous process - in most cases gas is accelerated only in short-lasting episodes. We find that in the case of optically thin disks gas is pushed out by magnetic field in the polar region and by thermal pressure and centrifugal force below the disk surface. In case of optically thick, radiative accretion, it is the radiation pressure which accelerates the gas in the polar funnel and which compensates (together with the centrifugal force) the gravity in the bulk of the disk. We also show that the Newtonian formulae for the forces are inadequate in the innermost and in the highly magnetized regions.

研究の動機と目的

• 非回転星質量ブラックホール周囲の一般相対論的降着円盤におけるガスのアウトフローを駆動する力のバランスを理解すること。
• 放射的に非効率的（光学的に薄い）および超臨界（光学的に濃い）降着状態における加速メカニズムを比較すること。
• 強い重力場および高磁場領域におけるニュートン的力の近似の有効性を評価すること。
• 軌道ベースの力分解を用いて、磁気中心力駆動、熱的、放射圧駆動のアウトフローを区別すること。
• 同じ計算フレームワーク内で、光学的に薄いおよび濃い円盤における駆動メカニズムを直接比較すること。

提案手法

• 非回転ブラックホールに弱く、飽和していない磁場を持つ系に対して、KORALコードを用いた一般相対論的放射磁気流体力学（GRRMHD）シミュレーションを実施した。
• シミュレーション内での個々のガスパラメータの軌道を追跡することで、一時的な加速エピソードを解明可能な力の解析を実施した。
• 全力の成分を重力、勾配圧力、磁気力、放射圧、相対論的補正に分解した。
• 2つのモデルを比較した：光学的に薄く、放射的に非効率的な円盤と、光学的に濃く、10×Eddington率で降着する超臨界円盤。
• 一般相対論的補正の寄与を分離するため、相対論的力分解形式（式24）を用いた。
• 時間的変動性を評価するために、軌道ベースの力解析と空間平均力データを比較して妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般相対論的枠組みにおいて、光学的に薄く放射的に非効率的な降着円盤でガスを加速させる主な力は何であるか？
• RQ2 光学的に濃く超臨界な円盤では、放射圧が磁気的および熱的力に比べて風加速にどの程度寄与しているか？
• RQ3 ニュートン的力の式が破綻する領域はどこか、そして相対論的補正が力のバランスにどの程度顕著に寄与するか？
• RQ4 風加速は連続的プロセスか、それとも短時間の断続的エピソードで発生するか？ また、円盤タイプによってその性質はどのように異なるか？
• RQ5 極方向のフンネル部と円盤の中平面上では、磁気的、熱的、放射圧力の相対的な役割はどのように異なるか？

主な発見

• ガスの加速は主に断続的であり、わずか数回の短時間の顕著な外向き加速エピソードを除いては、放射円盤の極方向では放射圧が連続的アウトフローを駆動する。
• 光学的に薄い円盤では、極方向は主に磁気力によって加速され、速度は最大で約0.1cに達するが、中平面上では熱的圧力と遠心力が支配的である。
• 光学的に濃く超臨界な円盤では、極方向のフンネル部で放射圧が支配的となり、ガスは0.4cを超える速度に加速され、円盤本体では重力をバランスさせる主な力となる。
• 磁気力は両方の円盤タイプにおいても最も極方に近い領域でのみ顕著であり、磁気中心力駆動はジェット直近の領域以外では主要な駆動力ではないことを示唆している。
• ブラックホール付近および強い磁場領域では、力の式に対する相対論的補正が顕著に寄与しており、これらの領域ではニュートン的近似は不適切である。
• 軌道ベースの力解析は、加速の非一様で時間的に変動する性質を捉えるために不可欠であり、空間平均力では一時的なエピソードが隠蔽される。