[論文レビュー] Accretion Discs Around Black Holes: Developement of Theory

Г. С. Бисноватый-Коган|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 1999

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ブラックホール周囲の降着円盤の理論的枠組みを構築し、乱流による粘性加熱と局所エネルギー収支による放射冷却に注目している。2つの解の分岐（光学的厚さあり・なし）を特定し、低光度で自己加熱支配の円盤が大部分のエネルギーをブラックホールに運ぶことを示し、磁場がエネルギー流入を制限し、標準モデルを上回る25％以上の降着効率を実現することを明らかにした。

ABSTRACT

Standard accretion disk theory is formulated which is based on the local heat balance. The energy produced by a turbulent viscous heating is supposed to be emitted to the sides of the disc. Sources of turbulence in the accretion disc are connected with nonlinear hydrodynamic instability, convection, and magnetic field. In standard theory there are two branches of solution, optically thick, and optically thin. Advection in accretion disks is described by the differential equations what makes the theory nonlocal. Low-luminous optically thin accretion disc model with advection at some suggestions may become advectively dominated, carrying almost all the energy inside the black hole. The proper account of magnetic filed in the process of accretion limits the energy advected into a black hole, efficiency of accretion should exceed $\sim 1/4$ of the standard accretion disk model efficiency.

研究の動機と目的

• 局所エネルギー収支に基づく、ブラックホール周囲の降着円盤の包括的理論を構築すること。
• 流体力学的不安定性、対流、磁場による乱流が粘性加熱を駆動する役割を調査すること。
• 光学的厚さありおよび薄い円盤の2つの明確な解の分岐を分析すること。
• 低光度円盤において自己加熱が放射を上回る条件を検討すること。
• 特に自己加熱支配な流れにおいて、磁場がエネルギーの自己加熱および降着効率に与える影響を評価すること。

提案手法

• 粘性加熱が円盤上下面からの放射冷却とバランスを取るような局所エネルギー収支モデルを構築する。
• 微分方程式を用いて円盤内のエネルギー自己加熱を記述し、理論を非局所的かつ径方向プロファイルに依存させる。
• 乱流粘性（α-規定）を仮定し、角運動量輸送およびエネルギー生成をモデル化する。
• 磁場をエネルギー流入の調節要因とみなす。磁場は、ブラックホールへのエネルギー流入割合を制限する。
• 標準的な薄い円盤モデルと比較し、低光度で自己加熱支配の状態におけるエネルギー抽出効率を検証する。
• 磁場を適切に取り入れた場合、降着効率が標準モデルの1/4を超えることが導かれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 降着円盤内での乱流による粘性加熱が、エネルギー収支と放射出力にどのように寄与するか？
• RQ2 標準降着モデルにおいて、光学的厚さありおよび薄い円盤という2つの明確な解の分岐が生じる条件は何か？
• RQ3 低光度降着円盤において、自己加熱が放射を上回る条件は何か？
• RQ4 磁場は、ブラックホールへの降着におけるエネルギー予算および効率にどのように影響するか？
• RQ5 磁場効果を含めた場合、降着効率が標準的な薄い円盤モデルをどれほど上回れるか？

主な発見

• 標準降着円盤モデルは、円盤の密度および冷却効率に応じて、光学的厚さありおよび薄い円盤という2つの解の分岐を示す。
• 低光度で光学的薄い円盤では、自己加熱が放射を上回り、エネルギーをブラックホールに大部分運ぶ自己加熱支配の流れが生じる。
• 降着過程に磁場を組み込むことで、ブラックホールへのエネルギー流入量が制限され、エネルギーの暴走流入が防がれる。
• 磁場を適切に考慮した場合、降着効率は標準的な薄い円盤モデルの25％を超える。
• 自己加熱を支配する微分方程式が径方向エネルギー輸送に依存するため、理論は非局所的である。
• モデルは、特に低光度系において、自己加熱支配のため熱的不安定性が生じるか、あるいは異なる降着モードに遷移する可能性があると示唆している。