[論文レビュー] Faranoff-Riley type I jet deceleration at density discontinuities "Relativistic hydrodynamics with realistic equation of state"

Z. Méliani, Rony Keppens+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 86被引用数 30

ひとこと要約

本稿では、活発銀河核における相対論的ジェットが外部密度の不連続性に達した際に急激に減速することを提案し、実際の状態方程式を用いた高解像度の相対論的流体ダイナミクスシミュレーションを実施している。主な発見は、強い密度対比が逆シャワーでの反射によるエネルギー損失を引き起こし、ジェットの減速とファンアロフ・ライアンI型の形態への移行をもたらすことであり、ハイブリッド形態の電波源における非対称ジェット行動を説明している。

ABSTRACT

The deceleration mechanisms for relativistic jets in active galactic nuclei remain an open question, and in this paper we propose a model which could explain sudden jet deceleration, invoking density discontinuities. This is particularly motivated by recent indications from HYMORS. Exploiting high resolution, numerical simulations, we demonstrate that for both high and low energy jets, always at high Lorentz factor, a transition to a higher density environment can cause a significant fraction of the directed jet energy to be lost on reflection. This can explain how one-sided jet deceleration and a transition to FR I type can occur in HYMORS, which start as FR II (and remain so on the other side). For that purpose, we implemented in the relativistic hydrodynamic grid-adaptive AMRVAC code, the Synge-type equation of state introduced in the general polytropic case by Meliani et al. (2004). We present results for 10 model computations, varying the inlet Lorentz factor from 10 to 20, including uniform or decreasing density profiles, and allowing for cylindrical versus conical jet models. As long as the jet propagates through uniform media, we find that the density contrast sets most of the propagation characteristics, fully consistent with previous modeling efforts. When the jet runs into a denser medium, we find a clear distinction in the decelaration of high energy jets depending on the encountered density jump. For fairly high density contrast, the jet becomes destabilised and compressed, decelerates strongly (up to subrelativistic speeds) and can form knots. We point out differences that are found between cylindrical and conical jet models, together with dynamical details like the Richtmyer-Meshkov instabilities developing at the original contact interface.

研究の動機と目的

• 活発銀河核における相対論的ジェットの減速機構を調査し、片側がFR I型に似たジェットとFR II型に似た対照的ジェットを併存させるハイブリッド形態の電波源の文脈において特に注目する。
• 片側のジェットのみがFR I型形態を示す場合に、相対論的ジェットがFR IIからFR I型形態にどのように移行するかという未解決の問題に取り組む。
• ジェットが外部密度の不連続性に達した際に、高い初期ローレンツ因子であっても急激な減速が生じることを示す。
• 相対論的流体ダイナミクスシミュレーションにおいて、実際の多項的状態方程式の使用がエネルギー変換およびシャワー力学を正確にモデル化するのに有効であることを検証する。
• 外部密度プロファイルを変化させたジェット-媒体相互作用の数値モデルを用いて、ハイブリッド源における非対称ジェット形態の物理的起源を解明する。

提案手法

• アダプティブメッシュリファインメント（AMR）を用いた相対論的流体ダイナミクスコードAMRVACに、Melianiら（2004）のSynge気体則に基づく一般化された多項的状態方程式を実装した。
• 高解像度でメッシュを適応的に細分化したシミュレーションを用い、ジェットが数百度のビーム半径にわたって伝播するのをモデル化し、シャワー前線および接触不連続性をサブグリッド解像度で解像した。
• 極めて高いローレンツ因子（γ ≈ 100）におけるリーマン問題を厳密にテストし、数値結果を正確な解析解と比較した。
• 初期ローレンツ因子（10–20）を変化させた高エネルギーおよび低エネルギーのジェットモデルを、円柱型および円錐型のジェット幾何形状でシミュレートした。
• 特に逆シャワーおよび前進シャワーのダイナミクスに注目し、相対論的シャワーにおける方向性運動エネルギーから熱エネルギーへのエネルギー変換を追跡した。
• シャワー効率および圧縮率を決定づける有効多項的指数（Γ_eff）の役割を分析し、特に相対論的（Γ=4/3）から古典的（Γ=5/3）に移行する領域における挙動を重点的に検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部媒体における密度不連続性が、高い初期ローレンツ因子にある相対論的ジェットを急激に減速させ得るか？
• RQ2 有効多項的指数がジェット-媒体相互作用中のシャワー効率およびエネルギー散逸を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 密度ジャンプに直面した場合、円柱型と円錐型のジェット幾何形状において、ジェット形態および減速挙動はどのように異なるか？
• RQ4 対称的なジェット駆動にもかかわらず、一部のハイブリッド形態電波源が片側にFR I型に似たジェット、もう片方にFR II型に似たジェットを示すのはなぜか？
• RQ5 密度対比の強さが、ジェットが非相対論的速度にまで減速し、塊体を形成するかどうかを決定づける程度はどの程度か？

主な発見

• 外部密度比（n_ext / n_jet ≫ 1）が強い場合、逆シャワーでの反射によるエネルギー損失が顕著となり、ジェットは相対論的から非相対論的速さへと減速する。
• 高いローレンツ因子（γ = 10–20）を持つジェットでは、臨界閾値を超える密度ジャンプが、接触不連続性におけるリヒトマイヤー＝メシュコフ型不安定性に起因する強い圧縮、不安定性および塊体形成を引き起こす。
• 密度対比が弱すぎる場合には、高エネルギーのジェットは最小限の減速でFR II特性を維持し、FR I型形態への移行には閾値行動が存在することが示された。
• 圧縮領域における有効多項的指数Γ_effは、相対論的領域（Γ=4/3）からやや相対論的領域（Γ=1.48–1.5）に変化し、シャワー圧縮およびエネルギー変換効率に影響を与える。
• 円柱型と円錐型のジェットモデルでは、動的応答が顕著に異なり、円柱型ジェットは接触界面でより強い非対称性および早期の不安定性成長を示す。
• 極端な場合（例：γ ≈ 100）、逆シャワーと接触不連続性の間の圧縮領域はΔX₃(t) ≈ 0.00315tにまで縮小し、数値的課題を引き起こすが、アダプティブメッシュリファインメントにより解決された。