[論文レビュー] Internal shocks model for microquasar jets

Omar Jamil, R. P. Fender+1 more|ArXiv.org|Nov 20, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、微小ブラックホール連星のジェットに対して内部衝撃波モデルを提案する。離散的で速度が変化する噴出物（シェル）が衝突することで衝撃波が生成され、粒子が加速され、シンクロトロン放射によって放射が発生する。エネルギー散逸、断熱的損失、光学的厚さの時間的変化のバランスをとることで、平坦な電波〜赤外線スペクトルを再現する。主な結果として、シェル質量、ローレンツ因子の差、噴出頻度が光曲線およびスペクトルエネルギー分布を決定づけることが示された。

ABSTRACT

We present an internal shocks model to investigate particle acceleration and radiation production in microquasar jets. The jet is modelled with discrete ejecta at various time intervals. These ejecta (or 'shells') may have different properties including the bulk velocity. Faster shells can catch up and collide with the slower ones, thus giving rise to shocks. The particles are accelerated inside the shocked plasma. Each collision results in a new shell, which may take part in any subsequent collisions as well as radiate due to synchrotron radiation. Almost continuous energy dissipation along the jet can be obtained with a large number of shell collisions. We investigate the spectral energy distribution of such jets as well as the physical significance of various parameters (e.g. the time interval between ejections and the shell size).

研究の動機と目的

• 微小ブラックホール連星における平坦な電波スペクトルの起源を説明すること。これは従来、円錐形ジェット内の自己吸収シンクロトロン放射に起因するとされてきた。
• 変動するシェル噴出による内部衝撃波が、観測されたスペクトルエネルギー分布および変動性を再現できるかどうかを調査すること。
• シェル質量、ローレンツ因子の差、噴出タイミング、および熱的膨張が、スペクトルおよび光曲線特性に与える役割を明らかにすること。
• 観測と整合する高くて平坦な電波放射を生み出すパラメータ領域を特定すること。これは、断熱的損失が電波放射を低下させるという課題を克服する。
• 将来のシンクロトロン自己コンプトン過程および電子放射損失の組み込みに向けた基盤を築くこと。

提案手法

• 変動するバルクローレンツ因子（Γ）、質量、幅を持つ離散的で時系列順の噴出物（シェル）を用いてジェット放射をモデル化する。
• 高速で後から噴出されたシェルと低速で前に噴出されたシェルとの衝突を、運動量およびエネルギー保存則を満たす非弾性衝突力学でシミュレートする。
• 相対論的運動量およびエネルギーのバランス式を用いて、統合シェルの性質（ローレンツ因子 Γₘ、内部エネルギー E_in）を計算する。
• 流体力学的ジャンプ条件を用いて衝撃波幅を決定し、慣性系における前向きおよび逆向きの衝撃波を考慮する。
• 電子エネルギー分布および磁場エネルギー密度（u_B）に基づいてシンクロトロン放射スペクトルを計算する。光学的厚さから薄さへの遷移を仮定する。
• ジェット運動エネルギー出力（L_W）、噴出頻度（1 Hz）、シェル幅、熱エネルギー分率（u_th）などの主要パラメータを変化させ、スペクトルおよび光曲線の結果を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散的で速度が変化するシェル噴出による内部衝撃波が、微小ブラックホール連星で観測された平坦な電波〜赤外線スペクトルを再現できるか？
• RQ2 シェル質量、ローレンツ因子の差、噴出タイミングの変化が、スペクトルエネルギー分布および光曲線の形状にどのように影響するか？
• RQ3 膨張するシェルにおける顕著な断熱的損失があるにもかかわらず、観測された電波放射がなぜ高いまま保たれるのか？
• RQ4 シェルの熱的膨張（u_th）が、電波周波数における光学的薄さに達するまでの timescale に果たす役割は何か？
• RQ5 ジェット出力、Γ_max、シェル幅といったパラメータが、平坦スペクトルを生成する際のデゲネラシーにどのように影響するか？

主な発見

• ジェット運動エネルギー出力が高くなると、シェル質量が増加し、エネルギー密度が上昇し、電波周波数での光学的厚さが長期間にわたって維持される。その結果、電波放射が抑制され、スペクトル形状が変化する。
• 低出力（例：1×10³³ erg s⁻¹）では、シェルが電波周波数で速やかに光学的薄くなるため、電波に対して赤外線より高い電波放射が得られ、図3のスペクトルと整合的である。
• 膨張するシェルにおける強い断熱的損失があるにもかかわらず、平坦な電波〜赤外線スペクトルを達成するのは困難である。これは、衝突による再エネルギー供給があっても同様である。
• 1 Hzの噴出頻度は、観測されたX線連星のフレアに類似した光曲線およびスペクトルを生成する。特に、サイゲルヌスX-1のハード状態パワースペクトルにおけるブレーク周波数と一致する。
• モデルは、Γ_max、L_W、シェル幅がエネルギー密度にほぼデゲネラシー的に影響することを示しており、スペクトル形状および放射レベルに影響を与える。
• 電波および赤外線の光曲線におけるフレアは、衝突による再エネルギー供給と断熱的膨張によるエネルギー損失の競合によって生じる。