[論文レビュー] Fundamental States of Accretion/Jet Configuration and the Black Hole Candidate GRS1915+105

Sandip K. Chakrabarti, Anuj Nandi|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2000

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ブラックホール候補天体GRS 1915+105の複雑で変動しやすいX線光度曲線が、粘性効果を含む流れの非線形フィードバックによって駆動される3つの基本的降着状態間の遷移に起因すると提案している。衝撃波の強さと噴流の流量がスペクトル状態と光度曲線の形態を支配し、状態2〜4（中間状態、ディップ状態、オン状態）が観測された変動を説明する。

ABSTRACT

Advective disk paradigm of black hole accretion includes self-consistent formation of shocks and outflows from post-shock region. We apply this paradigm to understand rich variation of the light curve of the black hole candidate GRS1915+105. We propose that out of five possible {\it fundamental states} the black hole candidate GRS1915+105 moves around among three of them creating all possible observed light curves.

研究の動機と目的

• 標準的なケプラーディスクモデルでは説明できないGRS 1915+105の豊富で複雑なX線光度曲線の変動を説明すること。
• 衝撃波と噴流を含む拡散流パラダイムを用いて、GRS 1915+105の観測されたスペクトル的・時間的挙動の背後にある基本的降着状態を特定すること。
• 観測されたスペクトル状態（A、B、C）を、衝撃波の強さ、噴流率、再帰的風物質からのフィードバックによって支配される物理的降着状態に結びつけること。
• 非線形的な噴流からのフィードバックが、観測された遷移と光度曲線パターンを再現するために不可欠であることを示すこと。
• 衝撃波と音速面の進化の力学によって、特定の状態間（例：状態2から状態4）の直接的遷移が観測されない理由を物理的に説明すること。

提案手法

• 自己一貫的な衝撃形成と衝撃後噴流を含む拡散流パラダイムを、擬ニュートン的およびカー幾何学に適用して降着流をモデル化する。
• 拡散流方程式のバックボーン解を、音速点の位置と衝撃の安定性に基づき8種類（O、I、SA、NSA、SW、NSW、I*、O*）に分類する。
• 粘性効果を組み込んで現実的なディスク構造をモデル化し、赤道面での高粘性でケプラーフローを可能にし、その上・下で低粘性にすることで準ケプラーフローの噴流を可能にする。
• CENBOL（遠心圧力支持境界層）を衝撃形成と噴流生成の場としてモデル化し、ケプラーディスクからのソフト光子による風のコンプトン冷却が音速面の位置を変更することを考慮する。
• フィードバックループを、冷却された風からの再帰的流れとしてモデル化し、これによりケプラーディスク降着率が増加し、結果として衝撃波の強さと噴流率に影響を与える。
• スペクトルの特徴を噴流率と衝撃波の強さに関連付ける：強い衝撃波（R ~ 4–7）は硬いスペクトルを生じ、中程度の衝撃波（R ~ 2–3）は強い噴流とソフトスペクトルを生じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRS 1915+105のX線光度曲線に見られる豊富な変動を、一つの物理的枠組みでどのように説明できるか？
• RQ2 GRS 1915+105の観測されたスペクトル状態（A、B、C）の間の遷移を支配する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 なぜ状態2（中間状態）から状態4（オン状態）への直接的遷移は観測されないのか？他の遷移はなぜ可能なのか？
• RQ4 噴流風のコンプトン散乱による冷却が音速面の位置とそれによる降着ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 再帰的風からの非線形的フィードバックが、観測された状態遷移と光度曲線パターンを維持するために果たす役割は何か？

主な発見

• 衝撃波の強さ、噴流率、降着率によって定義される5つの基本的拡散流降着状態が、GRS 1915+105の観測された変動を説明でき、状態2〜4はBelloniらが特定したA、B、C状態に対応する。
• 状態2〜4は非線形的フィードバックによって駆動される：ソフト光子による風の冷却が音速面を収縮させ、再帰的流れを引き起こし、降着率が増加する。これにより一時的な高光度状態が生じる。
• 中間状態（状態2）は中程度の衝撃波強さ（R ~ 2–3）に起因し、強力な噴流（流入率の約30％まで）を発生させ、スペクトルをソフト化し、QPOを生成する。
• ディップ状態（状態3）は風のコンプトン冷却により生じ、音速面が収縮し、流れが超音速の塊と再帰的物質に分離する。一時的に降着率が増加する。
• オン状態（状態4）は、大部分の再帰的流れがディスクに再入することで生じ、ケプラーディスク降着率が増加し、高光度・ソフトスペクトル状態となり、QPOは観測されない。
• ソフト状態（状態5）はケプラーディスク降着率が高くなる（≥0.3 M_Edd）と発生し、バルク運動コンプトン化が支配的となり、弱い硬い尾を伴うソフトスペクトルが生じ、QPOは観測されない。