[論文レビュー] Ergomagnetosphere, Ejection Disc, Magnetopause in M87. I Global Flow of Mass, Angular Momentum, Energy and Current

R. D. Blandford, Noémie Globus|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 82被引用数 30

ひとこと要約

本稿では、M87におけるイベントホライズン望遠鏡が観測した1.3 mmのリングが、従来の降着トーラスではなく、回転するブラックホールからの回転エネルギーを電磁的トルクおよび負のエネルギーを持つ波を介して抽出する磁場支配のエルゴマグネトスフィアであると提唱する。このメカニズムにより、相対論的ジェットと大規模なMHD風が駆動され、質量の流出が生じ、ジェットのコリメーションが実現され、高質量供給率にもかかわらず低放射効率である現象が説明される。

ABSTRACT

We interpret the 1.3mm VLBI observations made by the Event Horizon Telescope of the black hole in M87. It is proposed that, instead of being a torus of accreting gas, the observed annular ring is a rotating, magnetically-dominated ergomagnetosphere that can transmit electromagnetic angular momentum and energy outward to the disc through a combination of large scale magnetic torque and small scale instabilities. It is further proposed that energy can be extracted by magnetic flux threading the ergosphere through the efficient emission of long wavelength electromagnetic disturbances onto negative energy orbits, when the invariant $B^2-E^2$ becomes negative. In this way, the spinning black hole and its ergosphere not only power the jets but also the ejection disc so as to drive away most of the gas supplied near the Bondi radius. This outflow takes the form of a MHD wind, extending over many decades of radius, with a unidirectional magnetic field, that is collimated by the infalling gas across a magnetopause. This wind, in turn, collimates the relativistic jets and the emission observed from the jet sheath may be associated with a return current. A model for the global flow of mass, angular momentum, energy and current, on scales from the horizon to the Bondi radius, is presented and discussed.

研究の動機と目的

• M87の降着における低放射効率を、高質量供給率にもかかわらず説明すること。
• 高Bondi降着率と低観測輝度の間の矛盾を解消すること。
• ジェット出力（6×10⁴³ erg s⁻¹）がリングの輝度（10⁴¹ erg s⁻¹）を600倍も上回る理由を、ブラックホールスピンからのエネルギー抽出メカニズムの特定によって説明すること。
• ホライズンからBondi半径に至るまでの質量、角運動量、エネルギー、電流の流れを包括的にモデル化すること。
• エルゴマグネトスフィアおよび磁場界面を、エネルギーと運動量の輸送を可能にする主要なインターフェースとして特定すること。

提案手法

• イベントホライズンからϖem ∼5×10¹⁵ cmに延びる磁場支配のエルゴマグネトスフィアを提唱し、電磁的トルクが角運動量とエネルギーを伝達するとする。
• B² − E² < 0 となる軌道上での負のエネルギーを持つ電磁波の抽出を導入し、効率的なエネルギー伝達を可能にする。
• 流出を遠心力によって発生するMHD風としてモデル化し、ϖed ∼10²⁰ cmにおける磁場界面（磁場界面）で周囲の降下ガスによってコリメートされる。
• 4つの主要なインターフェースを特定：磁場界面、コロナ-ディスク境界、エルゴマグネトスフィア、ジェット-シースト境界。
• 異なる領域で力フリーおよびMHD記述を用い、ϖemで遷移する。
• 観測的比較のため、ジェットシーストでは電磁的散逸、風ではファラデー回転効果を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M87のジェット出力（6×10⁴³ erg s⁻¹）が観測されたリングの輝度（10⁴¹ erg s⁻¹）を600倍も上回る理由は何か？
• RQ2 Bondi質量供給率が ∼10²⁵ g s⁻¹ にもかかわらず、M87の降着流がなぜ放射効率が極めて低いのか？
• RQ3 流入ガスの大部分がコリメートされたMHD風として噴出するメカニズムは何か？ その際、放射効率が低いのはなぜか？
• RQ4 厚いトーラスが存在しないにもかかわらず、なぜジェットが ∼30–105重力半径のスケールでコリメートされるのか？
• RQ5 磁場界面は、流入と流出を分離し、グローバルフィードバックを可能にする役割を果たすのか？

主な発見

• エルゴマグネトスフィアは、ブラックホールスピンの全出力の約10％（約0.15×10⁶³ erg）を抽出し、ディスク風を駆動し、ジェットをコリメートする。
• 1.3 mmで観測されたリングは、標準的な降着トーラスではなく、エルゴマグネトスフィアからの放射と解釈され、輝度温度は約6 GKである。
• B² − E² < 0 となる負のエネルギー軌道上での電磁干渉によりエネルギーが抽出され、効率的なスピンエネルギー伝達が可能になる。
• MHD風は、Bondi半径（rBondi ∼250 pc）で供給される大部分の質量を運び、低放射効率を説明する。
• ϖed ∼10²⁰ cmにおける磁場界面は、内向きの降下と外向きの噴出ディスクを分離し、ファラデー回転による観測可能性も示唆される。
• デプロジェクション距離 ≥5×10¹⁷ cm で観測されるジェットシーストは、一般化された粘性および抵抗性散逸を示す電磁的境界層であり、粒子加速と電波放射を可能にする。