[論文レビュー] GRMHD simulations of BH activation by small scale magnetic loops: Formation of striped jets and active coronae

Anna Chashkina, Omer Bromberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 40被引用数 55

ひとこと要約

本研究では、交互に極性が入れ替わる小スケール磁気リーブの降着によるクーラー・ブラックホールの活性化を、2次元および3次元のGRMHDシミュレーションを用いて調査した。その結果、このようなリーブが約10rg以上で、ブラックホールから約100rg以内に維持されている場合、単一のリーブモデルで観測されるパワーの10–20％の準ストライプ状ジェットを発生させることができると判明した。また、循環的降着状態と電流シートの散逸を引き起こし、それがハードX線コロナを駆動する可能性がある。

ABSTRACT

We have performed a series of numerical experiments aimed at studying the activation of Kerr black holes (BHs) by advection of small scale magnetic fields. Such configurations may potentially give rise to the formation of quasi-striped Blandford-Znajek jets. It can also lead to enhanced dissipation and generation of plasmoids in current sheets formed in the vicinity of the BH horizon, which may constitute a mechanism to power the hard X-ray emission seen in many accreting BH systems (a la lamppost models). Our analysis suggests that formation of quasi-striped jets with significant power may be possible provided loops with alternating polarity having sizes larger than $\sim 10 r_g$ or so can be maintained (either form sporadically or advected from outside) at a radius $\lesssim 10^2 r_g$. This conclusion is consistent with recent results of general relativistic force-free simulations. We also find that the accretion dynamics exhibits cyclic behaviour in MAD states, alternating between high accretion phases and quenched accretion phases during which the magnetosphere becomes force-free out to radii $\gtrsim 10r_g$. We suggest that such a behaviour should lead to notable variations of the observed luminosity and image of the inner disc (BH shadow image). Finally, we find that the transition between accreted loops on the BH gives rise to the formation of current sheets and energetic plasmoids on the jet boundary during intermittent periods when the jet becomes inactive, in addition to an equatorial current sheet that forms during peaks in the jet activity.

研究の動機と目的

• 交互に極性が入れ替わる小スケール磁気リーブが、カー・ブラックホールを活性化させ、相対論的ジェットを発生させ得るかどうかを調査すること。
• リーブの降着に伴い、ブラックホールの事象の止まりの近くに電流シートおよびプラズモイドがどのように形成されるかを検討すること。
• 循環的降着ダイナミクスの観点から、放射光度の変動やブラックホールの影の形状といった観測可能な特徴に与える影響を評価すること。
• 従来のGRFFEシミュレーションと比較し、現実的な条件下でのジェットおよび散逸の形成の頑健性を評価すること。
• このような構成が、ハードX線放射のランプポストモデルにおけるコンパクトなコロナのエネルギー源として現実的かどうかを検討すること。

提案手法

• ボイヤー＝リンダクスト座標系を用い、HARMPIコードを用いて2次元および3次元の一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）シミュレーションを実行した。
• 初期条件として、フィッシュボーン＆モナリーフのトーラスと、交互に極性が入れ替わる磁気リーブ（双極子、四極子、複数のリーブ）を用いた。
• リーブのブラックホールのエネルゴスフェアへの降着をシミュレートし、ジェット形成、磁気的散逸、電流シートの発展を追跡した。
• 時間分解データを分析して循環的降着状態を特定し、ポリロイダル磁場の特徴的なスケールを測定した。
• 3次元シミュレーションにおいて、ISCO内での磁場線の曲率半径を用いてプラズモイドの形成を推定した。
• 従来のGRFFEシミュレーションとの比較を通じて、GRMHDアプローチの整合性と限界を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 交互に極性が入れ替わる小スケール磁気リーブの降着が、顕著なパワーを持つ準ストライプ状ジェットを形成し得るか？
• RQ2 このようなリーブがジェットパワーを維持し、急速な散逸を避けるために必要な条件は何か？
• RQ3 高降着状態と抑制状態を繰り返す循環的降着ダイナミクスが、放射光度や影の画像といった観測的特徴にどのように影響を与えるか？
• RQ4 リーブの降着中に、磁気圏内で電流シートおよびプラズモイドはどこに、どのように形成されるか？
• RQ5 このメカニズムは、多くのブラックホール系で観測されるコンパクトでハードX線を発するコロナを自然に説明できるか？

主な発見

• 交互に極性が入れ替わる磁気リーブが約10rg以上で、ブラックホールから約100rg以内に維持されている場合、単一のリーブから得られるジェットパワーの10–20％の準ストライプ状ジェットが形成される。
• MAD状態では循環的降着ダイナミクスが出現し、高降着状態と抑制状態が交互に繰り返われる。抑制状態では、磁気圏が約10rg以上まで力の自由状態になる。
• 抑制状態では、薄い赤道面電流シートが形成され、これはEHTのブラックホール影観測と矛盾する可能性があり、高エネルギー放射を強化する可能性がある。
• プラズモイドは、MAD状態の周期的再結合時にジェット境界の電流シートで形成され、また赤道面でも形成され、散逸の有効なチャネルであることが示された。
• 3次元シミュレーションでは、ISCO内での磁場線の曲率半径を用いてプラズモイドの形成を推定したが、これは2次元の観測結果と整合的であった。
• 結果はGRFFEシミュレーションと定性的に整合的であるが、解像度の制限、自己自己一致冷却の欠如、GRMHDにおける人工的なプラズマ供給の欠如により、限界がある。