[論文レビュー] General relativistic radiation transport: Implications for VLBI/EHT observations of AGN discs, winds and jets

Bidisha Bandyopadhyay, Christian Fendt+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 87被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、抵抗率を含む一般相対論的磁気流体力学（GR-MHD）シミュレーションを用いて、超大質量ブラックホール周囲の降着円盤、風、ジェットをモデル化し、GRTRANS光線追跡コードを後処理として用いてシンクロトロン放射をシミュレートする。M87に類似したパラメータがEHTが観測したリング状構造を再現することを示し、VLBI/EHT観測においてこれらの特徴が可視化されるための主要な物理的条件——ブラックホールスピン、磁場強度、風・ジェット放射——を特定した。

ABSTRACT

In 2019, the Event Horizon Telescope Collaboration (EHTC) has published the first image of a supermassive black hole (SMBH) obtained via the Very Large Baseline Interferometry (VLBI) technique. In the future, it is expected that additional and more sensitive VLBI observations will be pursued for other nearby Active Galactic Nuclei (AGN), and it is therefore important to understand which possible features can be expected in such images. In this paper, we post-process General Relativistic Magneto-Hydrodynamical (GR-MHD) simulations which include resistivity, thus providing a self-consistent jet formation model, including resistive mass loading of a wind launched from a disc in Keplerian rotation. The ray-tracing is done using the General Relativistic Ray-Tracing code GRTRANS assuming synchrotron emission. We study the appearance of the black hole environment including the accretion disc, winds and jets under a large range of condition, varying black hole mass, accretion rate, spin, inclination angle, disc parameters and observed frequency. When we adopt M87-like parameters, we show that we can reproduce a ring-like feature (similar as observed by the EHT) for some of our simulations. The latter suggests that such Keplerian disc models thus could be consistent with the observed results. Depending on their masses, accretion rates, spin and the sensitivity of the observation, we note that other SMBHs may show additional features like winds and jets in the observations.

研究の動機と目的

• 一般相対論的放射輸送を用いて、AGNにおける降着円盤、風、ジェットの観測可能な特徴を理解すること。
• ブラックホール質量、スピン、降着率、位置角といった物理的パラメータがVLBI像の外観に与える影響を調査すること。
• 風とジェットがEHTに類似した観測でどのように可視化されるかの条件を特定すること。
• 抵抗率を伴うケプラーディスクモデルが、EHTがM87で観測したリング状構造を再現できるかを検証すること。
• 風とジェットからの放射が、ブラックホールの影と光子リングの可視性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 抵抗率を含むGR-MHDシミュレーションを、拡張されたHARM3Dコードを用いて実行し、自己一貫性のあるディスク・風・ジェット系をモデル化する。
• 磁場拡散率を用いて抵抗率を実装し、ディスクからの質量ローディングを可能にすることで、流入・流出構造を実現する。
• 曲がった時空におけるGRTRANS光線追跡コードを用いて、シミュレートされたプラズマからのシンクロトロン放射を計算する。
• VLBI観測を模倣するため、周波数、位置角、ブラックホールパラメータの範囲で強度マップを生成する。
• EHT観測と比較可能なM87に類似したパラメータ（質量、降着率、スピン）をシミュレーションに組み込む。
• 一般相対論的フレームワーク内で放射輸送を解き、重力レンズ効果、ドップラー効果、赤方偏移の影響を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 抵抗率を伴うGR-MHDシミュレーションは、EHTがM87で観測したリング状構造を再現できるか？
• RQ2 ブラックホールスピン、磁場強度、降着率がVLBI像におけるジェットと風の可視性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ディスク風が内側のBZジェットの可視性を遮蔽または増強する条件は何か？
• RQ4 ディスク、風、ジェットの相対的発光度が、シミュレートされたEHT像の全フラックスおよび形状に与える影響は何か？
• RQ5 強力な風放射が、全フラックスがM87の観測と一致する場合でさえ、光子リング構造をどれほどぼかすか？

主な発見

• M87に類似したパラメータと中程度の磁場強度（20EF、21EF、22EF）を持つモデルは、EHTが観測したリング状構造を成功裏に再現した。
• 20EFおよび21EFモデルの全フラックスは230 GHzで約1 Jyであり、M87の観測と整合的であった。
• Blandford-Znajek（BZ）ジェットは顔合わせ配置でのみ可視であり、縁側視点では強いディスク風に遮られていた。
• 強力なディスク風は、全フラックスがM87と一致する場合でさえ、光子リングを著しくぼかした。
• 電子温度が上昇すると全体の発光度が増加するが、風とジェットが支配的になると、ディスク温度の変動は最小限の影響にとどまった。
• シュバルツシルト状態（22EF）では観測値よりもはるかに低いフラックスが得られ、M87と整合させるには高いスピンが不可欠であることが示された。