[論文レビュー] Disks and Jets - Gravity, Rotation and Magnetic Fields

John F. Hawley, Christian Fendt+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 189被引用数 27

ひとこと要約

この論文は、原始星から活動銀河核に至る天体系における、磁場が降着円盤および相対論的ジェットを駆動する役割をレビューする。磁気力学（MHD）過程、特にBlandford-PayneおよびBlandford-Znajek機構がジェット発射の中心的役割を果たしており、シミュレーションと観測が、回転するブラックホールと大規模磁場によって駆動されるPoyntingフラックス優勢ジェットの妥当性を確認している。

ABSTRACT

Magnetic fields are fundamental to the dynamics of both accretion disks and the jets that they often drive. We review the basic physics of these phenomena, the past and current efforts to model them numerically with an emphasis on the jet-disk connection, and the observational constraints on the role of magnetic fields in the jets of active galaxies on all scales.

研究の動機と目的

• 磁場のエネルギー密度が重力的または熱的エネルギーに比べて低いため、降着およびジェット形成を可能にする磁場の根本的役割を明確化すること。
• 角運動量輸送が磁場応力によって駆動されることに焦点を当て、降着と噴流の両者を誘導するジェット-円盤連関を検討すること。
• さまざまな天体系におけるジェット内の磁場構造、強度、トポロジーに関する観測的制約を評価すること。
• ブラックホールおよび星系におけるジェット発射のためのBlandford-ZnajekおよびBlandford-Payne機構の妥当性を評価すること。
• 特に磁場トポロジー、ダイナモ作用、相対論的ジェットの物質的成分に関して、ディスク磁気力学における未解決の問題を特定すること。

提案手法

• ジェット発射の主なメカニズムとして、MHD駆動の円盤風（Blandford-Payne）およびブラックホール駆動ジェット（Blandford-Znajek）の理論的モデルをレビューすること。
• 初期に大規模磁場を仮定した降着円盤内のグローバルMHD流れの数値シミュレーションを分析し、ジェットのコリメーションおよび加速を検討すること。
• 電波、X線、可視光データからの観測的制約を評価し、特にDopplerシフトされた線幅測定やHH80/81のような源におけるシンクロトロン放射を含む。
• シミュレーションにおける磁場拡산率および粘性の役割を評価し、完全な微視的モデルを用いない乱流輸送の簡略化を指摘すること。
• 長基線干渉計測定（例：VLBA、EVN）および近い将来の施設（SKA、アップグレード済みJVLA）を用いて、ジェットの平均速度、磁場強度、運動エネルギー出力の制約を求める。
• シミュレーションの結果と、ジェット出力、コリメーション、磁場配置に関する観測データを比較し、モデル予測の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場のエネルギー密度が低いにもかかわらず、降着円盤内での効率的な角運動量輸送をどのように実現しているのか？
• RQ2 相対論的ジェット発射において、円盤風（Blandford-Payne）とブラックホールスピン駆動のPoyntingフラックス（Blandford-Znajek）機構の相対的寄与は何か？
• RQ3 さまざまな天体系における降着円盤およびジェット内の磁場の存在とトポロジーを裏付ける観測的証拠は何か？
• RQ4 グローバルMHDシミュレーションは、観測されたジェット特性をどの程度再現できるのか？また、磁場拡散率および放射の簡略化処理に起因する制限は何か？
• RQ5 相対論的ジェットの物質的成分（電子優勢かバリオン優勢か）は何か？今後の観測がこの問題をどのように制約できるか？

主な発見

• 磁場は降着円盤内での角運動量輸送に不可欠であり、粘性輸送のみでは説明できない降着率を可能にしている。
• 円盤内での磁場の観測的証拠は限定的だが存在する（例：FU Orionis、Donati et al. 2005）、一方で直接的なジェット内磁場測定は稀であり、唯一の推定値が得られている（HH80/81、Carrasco-González et al. 2010）。
• Blandford-Znajek機構は、特にAGNにおける相対論的ジェットの観測によって強く支持されており、ジェット出力とコリメーションがモデル予測と一致している。
• グローバルMHDシミュレーションは、回転するブラックホールによって駆動されるPoyntingフラックス優勢ジェットの妥当性を確認しており、偶極磁場と周囲圧力とほぼ等価な磁場強度を必要としている。
• ブラックホール系における大規模軸対称磁場の起源は未解明であり、それが継承されたものか、円盤ダイナモによって生成されたものか、あるいは再結合プロセスによって維持されているのか、まだ合意形成がない。
• 今後の観測的進展は、VLBA、EVN、SKAといった高分解能電波施設に大きく依存しており、これらはジェット速度、磁場構造、運動エネルギー出力の直接的制約を提供できる。