[論文レビュー] Effects of radiative losses on the relativistic jets of high-mass microquasars

A. Charlet, R. Walder+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 146被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、パラメータ化された放射冷却を組み込んだ3次元相対論的流体力学的シミュレーションを用い、高質量マイクロクェーサーであるサイゲンスX-1およびサイゲンスX-3におけるジェット力学を調査した。放射冷却は、特にサイゲンスX-3において、ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性の発展を促進し、ココウの拡張を変化させることでジェット構造と不安定性の成長に顕著な影響を及ぼすが、サイゲンスX-1では冷却が弱いためほとんど影響を及ぼさない。

ABSTRACT

Context. Relativistic jets are ubiquitous in astrophysics. High Mass Microquasars (HMMQs) are useful labs to study such jets, as they are relatively close and evolve over observable time scales. The ambient medium into which the jet propagates is, however, far from homogeneous. Corresponding simulation studies to date consider various forms of a wind-shaped ambient medium but typically neglect radiative cooling and relativistic effects. Aims. We investigate the dynamical and structural effects of radiative losses and system parameters on relativistic jets in HMMQs, from the jet launch to its propagation over several tens of orbital separations. Methods. We use 3D relativistic hydrodynamical simulations including parameterized radiative cooling derived from relativistic thermal plasma distribution to carry out parameter studies around two fiducial cases inspired by Cygnus X-1 and Cygnus X-3. Results. Radiative losses are found to be more relevant in Cygnus X-3 than Cygnus X-1. Varying jet power, jet temperature, or the wind of the donor star tends to have a larger impact at early times, when the jet forms and instabilities initially develop, than at later times when the jet has reached a turbulent state. Conclusions. Radiative losses may be dynamically and structurally relevant at least in Cygnus X-3 case, and thus should be examined in more detail.

研究の動機と目的

• 高質量マイクロクェーサーにおける相対論的ジェットに及ぼす放射冷却の動的および構造的影響を調査すること。
• ジェット出力、温度、およびドナース星風パラメータが、数十個の公軌道分離距離にわたるジェット進化に与える影響を評価すること。
• サイゲンスX-1およびサイゲンスX-3のようなHMMQにおいて、放射冷却が力学的に重要であるかどうかを特定すること。
• 物理的パラメータが異なる2つの基準的HMMQシステムにおける、冷却がジェット不安定性の成長および構造的進化に与える影響を比較すること。
• 放射冷却が顕著な場合、断熱シミュレーションがHMMQにおけるジェット放射および力学を正確に再現できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 保存変数およびフラックスを用いた特殊相対論的流体力学（SRHD）方程式に基づく3次元相対論的流体力学的シミュレーション。
• 主に自由自由放射によるものとして、相対論的マクスウェル＝ヨットナー電子分布に基づくパラメータ化された放射冷却を導入。
• ジェット物質（J=1）と周囲媒体（J=0）を区別し、物質の進化を追跡するためにパasive tracerを用いた。
• サイゲンスX-1およびサイゲンスX-3のシステムパラメータを基準として、ジェット出力、ビーム温度、星風密度を変化させたパラメータスタディを実施。
• 20～75個の公軌道分離距離にわたるジェット伝播をシミュレートし、初期の不安定性の成長および乱流状態への移行を観察可能にした。
• やや相対論的ジェットに対しては一定の断熱指数Γ = 5/3を適用し、1次元比較においてΓ = 4/3との整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高質量マイクロクェーサーの相対論的ジェットにおいて、放射冷却はケルビン＝ヘルムホルツ不安定性の成長率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 風および放射率の性質が異なるサイゲンスX-1とサイゲンスX-3において、放射冷却の相対的重要性は何か？
• RQ3 ジェット出力、ビーム温度、星風密度の変動が、初期のジェット進化および不安定性の発展に与える影響は何か？
• RQ4 放射冷却は、外側ココウと内側ココウの体積比およびビームの時間的進化にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 放射冷却が顕著な場合、断熱シミュレーションはジェットの力学および構造を正確に再現できるか？

主な発見

• サイゲンスX-3では放射冷却が力学的および構造的に重要であるが、サイゲンスX-1では星風が弱く、放射率も低く、公軌道分離距離も長いことから、冷却の影響はほとんどない。
• 冷却はケルビン＝ヘルムホルツ不安定性の成長率を高め、ビームの破壊およびココウの拡張を加速する。
• サイゲンスX-3では、放射冷却により外側ココウと内側ココウの体積比が低下し、ジェットの形状およびエネルギー分布が変化する。
• 冷却が作用する際、ビームの体積は時間依存性が異なるべきべき乗則に従うことが示され、ジェット構造に根本的な変化が生じていることが示唆される。
• ジェット出力および風パラメータへの感受性は、不安定性の発生初期に顕著であり、乱流状態に移行すると低下する。
• 放射冷却が顕著なシステム、特にサイゲンスX-3のようなシステムでは、放射冷却を含まない後処理シミュレーションは誤った放射予測をもたらす可能性がある。