[論文レビュー] Accretion and ejection in Sgr A*

Ye‐Fei Yuan|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2010

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、Sgr A*におけるフレアが、太陽のコロナル・マス・エジェクション（CME）に類似した磁気流体力学（MHD）的メカニズムにより、周期的に電波放射を示すプラズマの塊が噴出することに起因すると提案している。このモデルは、噴出、磁気再結合、およびシンクロトロン／加速放射を結びつけることで、電波と高エネルギー帯のピーク間の観測された遅延を説明し、低放射率ブラックホールにおける周期的ジェットの統一的フレームワークを提供する。

ABSTRACT

We review our current understanding to the accretion and ejection processes in Sgr A*. Roughly speaking, they correspond to the quiescent and flare states of the source respectively. The high-resolution {\it Chandra} observations to the gas at the Bondi radius combined with the Bondi accretion theory, the spectral energy distribution from radio to X-ray, and the radio polarization provide us strict constraints and abundant information to the theory of accretion. We review these observational results and describe how the advection-dominated accretion flow model explains these observations. Recently more attentions have been paid to flares in Sgr A*. Many simultaneous multi-wavelength campaigns have been conducted, aiming at uncovering the nature of flares. The main observational properties of flares are briefly reviewed. Especially, the time lag between the peaks of flare at two radio frequencies strongly indicates that the flare is associated with ejection of radio-emitting blobs from the underlying accretion flow. Such kind of episodic jets is distinctive from the continuous jets and are quite common in black hole systems. We introduce the magnetohydrodynamical model for the formation of episodic jets recently proposed based on the analogy with the theory of coronal mass ejection in the Sun. We point out that the various observational appearances of flares should be explained in the framework of this model, since ejection and flare originate from the same physical process.

研究の動機と目的

• Sgr A*の消灯状態を、質量降着率、温度、およびBondi半径における密度の観測的制約と整合するアドベクション支配降着流（ADAF）モデルを用いて説明すること。
• Sgr A*フレアの物理的起源、特に多波長ピーク間の時間遅れを解明すること。これは、コンパクトなプラズマ塊の周期的噴出を示唆している。
• 太陽のコロナル・マス・エジェクション（CME）にインspiredされたMHDモデルを用いて、周期的ジェット形成のメカニズムを構築・適用し、噴出プロセスとその観測的特徴を説明すること。
• フレアを、塊の噴出を引き起こす同じ物理的プロセスの顕現とみなす統一的解釈を提供すること。
• スペクトルエネルギー分布、偏光、時間分解光曲線といった多波長観測結果を、一貫したフレームワーク内で統合すること。

提案手法

• Chandraの高解像度観測を用いて、Bondi半径（約0.04 pc）におけるガス密度（約100 cm⁻³）と温度（約2 keV）を制約し、降着モデルの外境界条件を提供する。
• アドベクション支配降着流（ADAF）モデルを適用して、Sgr A*の低放射効率（η ~ 10⁻⁶）と電波〜X線帯域におけるスペクトルエネルギー分布（SED）を説明する。
• 同時多波長キャンペーンを分析し、電波と高エネルギー帯のフレアピーク間の時間遅れを特定。電波フレアがX線／赤外フレアに続くのは、塊の伝播が遅延しているためであると示唆する。
• 太陽のCME理論に基づくMHDモデルを用いて、周期的ジェット形成を記述：降着流のコロナ内で磁気フラックスロープが再結合によって形成され、磁気張力が低下することで噴出が発生する。
• 塊の噴出ダイナミクスをシミュレーションし、光速に近いスケール（r_gの約20秒）で一致する噴出速度を示し、塊と衝撃波面からのシンクロトロン放射を予測する。
• 噴出された塊内に整然とした磁場が存在するため、高周波電波帯で高い線形偏光（2–10%）を予測。これは、消灯状態の不規則な磁場を持つADAF状態とは対照的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アドベクション支配降着流（ADAF）モデルは、Sgr A*の観測された低放射度とスペクトルエネルギー分布をどのように説明できるか？
• RQ2 Sgr A*フレアにおける異なる電波周波数のフレアピーク間の時間遅れは何かを原因としており、これは発光メカニズムにどのような含意を持つのか？
• RQ3 Sgr A*フレア中に観測されるコンパクトなプラズマ塊の周期的噴出を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ4 Sgr A*フレアの偏光特性は、噴出プロセスの磁場構造によってどのように説明できるか？
• RQ5 Sgr A*における周期的ジェット形成は、どの程度太陽のコロナル・マス・エジェクション（CME）に類似たモデルで記述可能か？

主な発見

• Sgr A*のBondi降着率は約10⁻⁵ M☉ yr⁻¹と推定され、Chandra観測と3次元シミュレーションと整合的であり、強固な外境界条件を提供する。
• Sgr A*の消灯状態におけるスペクトルエネルギー分布（SED）—特にミリ波長域のぶつぶつ、およびパワーローイン電波スペクトル—は、ADAFモデルによって自然に説明可能であり、低放射効率（η ~ 10⁻⁶）を説明できる。
• 異なる周波数帯における電波フレアピーク間の約30分の時間遅れは、電波放射が静止したホットスポットではなく、移動する噴出塊から来ていることを示唆している。
• 太陽のCMEにインspiredされたMHDモデルによる周期的ジェット形成では、フラックスロープの進化と磁気再結合によって塊が形成され、光速の約1/10の高速度で噴出（v ~ c/10）が発生し、スケールは約20秒である。
• 噴出された塊とその前縁の衝撃波面からのシンクロトロン放射が電波およびミリ波フレアを説明する。一方、電流面内の加速電子が赤外線およびX線フレアを生成する。
• 噴出されたプラズマ内に整然とした磁場が存在するため、高周波電波帯で高い線形偏光（2–10%）が予測される。これは、消灯状態のADAF状態における低偏光とは明確に区別される。