[論文レビュー] Evaporation: The change from accretion via a thin disk to a coronal flow

Friedrich Meyer, B. F. Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2000

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、星質量ブラックホール周囲の幾何学的薄い降着円盤から、高温で自己加熱支配のコロナ流（ADAF）への遷移を説明する物理的モデルを提案する。この遷移は、冷たい円盤から上部の高温コロナへ物質が蒸発するプロセスによって駆動される。蒸発効率は約100シュバルツシルト半径でピークに達し、これが薄い円盤の遮断半径を決定し、X線連星およびAGNで観測されるスペクトル遷移を説明する。

ABSTRACT

We present a model for a corona above a geometrically thin standard disk around a black hole. This corona is fed by matter from the thin disk which evaporates from the cool layers underneath. An equilibrium establishes between the cool accretion stream and the hot flow. In the inner region evaporation becomes so efficient that at low accretion rates all matter flows via the corona and proceeds towards the black hole as an advection-dominated accretion flow (ADAF). We investigate this transition for accretion disks around stellar black holes. We derive a set of four ordinary differential equations which describe the relevant processes and solve them numerically. The evaporation efficiency has a maximum value where the advection-dominated structure of the corona (at large distances from the black hole) changes to a radiation-dominated structure (at small distances). This maximum can be related to the observed spectral transitions in black hole X-ray binaries. Our solutions of coronal structure are valid for both, accretion in galactic X-ray transients and in AGN.

研究の動機と目的

• 冷却された幾何学的薄い降着円盤から、その上に高温のコロナ流へ物質が蒸発する物理的メカニズムをモデル化すること。
• 低降着率における、薄い円盤が完全に遮断され、すべての降着が高温コロナ流を通じて進行する半径位置を特定すること。
• 蒸発効率とコロナ構造を用いて、ブラックホールX線連星およびAGNで観測されるスペクトル遷移を説明すること。
• 異なるブラックホール質量にわたって有効な、薄い円盤、コロナ、ADAF領域を一貫して結びつけるモデルを確立すること。
• X線トランジエンスおよびAGNの観測データと照合し、特に円盤遮断とスペクトル状態に関してモデルを検証すること。

提案手法

• 2次元流体力学的問題を1次元の半径方向プロファイルに簡略化するため、半径および垂直方向に平均化して4つの常微分方程式の簡略化系を導出する。
• コロナを2相性媒体としてモデル化し、蒸発と放射加熱を通じて、高温コロナ流と冷却円盤との間でエネルギーと運動量の交換を記述する。
• 粘性加熱、コンプトン冷却、電子とイオンの間のエネルギー交換を組み込み、高光学厚さ領域では熱的平衡を仮定する。
• 数値的に方程式系を解き、半径方向のコロナ構造と蒸発率を半径関数として計算する。
• 蒸発効率が約100シュバルツシルト半径でピークに達する臨界蒸発効率を導入し、これは自己加熱支配から放射支配へのコロナ流遷移の境界を示す。
• X線トランジエンス（例：サイリウスX-1、ノーバ・ムスカエ1991）およびAGNの観測データと照合し、予測された遮断半径とスペクトルフィット結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低降着率ブラックホール系において、冷却された薄い降着円盤から高温でコロナルADAFへの遷移を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ2 蒸発がどの半径距離でこれほど効率的になるか、その結果、すべての降着がコロナルADAF支配の状態に移行するか？
• RQ3 蒸発効率は半径に応じてどのように変化し、そのピークはどこに位置するのか？そして、そのピークを決定づける物理的条件は何か？
• RQ4 予測された薄い円盤の遮断半径は、X線トランジエンスの光度曲線およびスペクトルフィットからの観測的制約とどの程度一致するか？
• RQ5 このモデルの構造と蒸発挙動は、銀河系X線連星およびAGNにおける星質量ブラックホールと同様に、異なるブラックホール質量にわたって一貫性を示すか？

主な発見

• 薄い円盤からの蒸発効率は、約100シュバルツシルト半径でピークに達し、これがコロナルADAFへの遷移が支配的になる半径位置を示す。
• 低降着率では、最大蒸発効率半径で円盤のすべての物質が蒸発し、円盤が完全に遮断され、ADAF支配の降着に移行する。
• コロナ構造は外側では自己加熱支配から内側では放射支配へと遷移し、その境界は蒸発効率のピークによって決定される。
• 本モデルは、高降着率におけるスペクトルのソフトニング（内側安定軌道まで延びる薄い円盤）と低降着率におけるスペクトルのハードニング（遮断された円盤、コロナルADAF放射）をうまく説明する。
• 予測された遮断半径は、サイリウスX-1やノーバ・ムスカエ1991などのX線トランジエンスの観測と整合的であるが、非常に内側の円盤領域では若干の不一致が残る。
• 本モデルの予測は、星質量ブラックホールとAGNを含むさまざまなブラックホール質量にわたり安定しており、蒸発駆動型遷移メカニズムが銀河系X線連星およびAGNに適用可能であることが示された。