[論文レビュー] Jet-environment interactions in FRI radio galaxies

R. A. Laing, A. H. Bridle|ArXiv.org|Dec 30, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、FR I電波銀河のジェットが初期段階で相対論的で減速する流れであり、周囲の銀河間物質からの物質の混合または星間物質の損失によって駆動されることを提案する。深さのあるVLA観測と運動学的モデリングにより、ジェットの減速、膨張、圧力平衡が混合に一致することを示し、低密度（約1プロトン m⁻³）、マッハ数約1、核付近で相対論的速さ（β ≈ 0.8）を示す。ジェットの組成は混合された熱的物質を含む電子・陽電子支配である可能性が高い。

ABSTRACT

There is now unequivocal evidence that the jets in FR I radio galaxies are initially relativistic, decelerating flows. On the assumption that they are axisymmetric and intrinsically symmetrical (a good approximation close to the nucleus), we can make models of their geometry, velocity, emissivity and field structure whose parameters can be determined by fitting to deep VLA observations. Mass entrainment - either from stellar mass loss within the jet volume or via a boundary layer at the jet surface - is the most likely cause for deceleration. This idea is quantitatively consistent with the velocity field and geometry inferred from kinematic modelling and the external gas density and pressure profiles derived from X-ray observations. The jets must initially be very light, perhaps with an electron-positron composition.

研究の動機と目的

• 多波長観測と運動学的モデリングを用いて、FR Iジェットの力学的進化を特定すること。
• 外部媒体からの物質混合または星からの質量損失がジェットの減速と膨張を説明できるかを検証すること。
• 偏光および強度の非対称性を用いて、ジェットの組成、速度構造、磁場の幾何学的配置を制約すること。
• 保存則解析とX線から推定される外部圧力プロファイルを用いて、ジェットの駆動力、圧力、閉じ込め機構を評価すること。
• 長年にわたり未解決の問題である、FR Iジェットが核からの数kpcの距離で急激に明るくなる理由を解明すること。

提案手法

• 5つのFR I源（3C 31、B2 0326+39、B2 1553+24、NGC 315、3C 296）の深さのあるVLA観測を用いて、ジェットの幾何構造、速度、放射度、磁場構造をモデリングする。
• 相対論的運動学的モデリングを適用し、ジェット／反ジェットの強度非対称性および偏光構造を、歪みおよび横方向の速度勾配の証拠として解釈する。
• 準1次元的保存則を用いて、ジェットに沿った圧力、密度、マッハ数、混合率のプロファイルを導出する。
• 内部ジェット圧力と外部圧力（X線観測から得られる）およびシンクロtron最小圧力を比較し、平衡状態とエネルギー収支を評価する。
• 導出された速度および密度プロファイルからエネルギーフラックスを計算し、ジェット駆動力を推定する。
• 電子数密度と質量密度の制約を組み合わせ、電子・陽電子または陽子・電子系のシナリオを考慮してジェットの組成を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核からの数キロパーセクの距離でFR Iジェットが急激に明るくなる原因は何か？
• RQ2 外部銀河間物質からの物質混合か、ジェット体内での星からの質量供給が、ジェットの減速の主なメカニズムであるか？
• RQ3 前方のファラデー回転がよりよく理解された今、内部の偏光の減少を検出できるか？
• RQ4 保存則、キャビティの力学、バッシュ・ショックの物理学といった異なるジェット駆動力推定法が一貫した結果をもたらすか？
• RQ5 ジェットは本当にpcスケールで加速しているのか、それとも限られた横方向分解能による誤解によるものなのか？

主な発見

• FR Iジェットは初期段階で相対論的であり、核付近の軸上速度はβ ≈ 0.8であり、相対論的流れおよび歪み効果と整合的である。
• ジェットの減速は1–10 kpcの距離で発生し、急激な膨張を伴う膨張領域の後、再収縮と外部媒体との圧力平衡が成立する。
• ジェット密度は極めて低く（約1プロトン m⁻³）、環境に対する初期密度比は約10⁻⁵であり、極めて希薄なジェットであることが示唆される。
• 混合率は膨張領域でピークに達し、その後低下する。3C 31では、星からの質量供給は長距離での混合を説明するには不十分であり、外部からの混合が支配的であると示唆される。
• エネルギーフラックスからのジェット駆動力推定値は、3C 31でΦ ≈ 1.1×10³⁷ W、3C 296で7×10³⁶ W、B2 0326+39で1.6×10³⁶ Wであり、保存則モデリングと整合的である。
• シンクロtron最小圧力は内部圧力と同等またはわずかに小さい。明るさの急増点での過圧力が初期の膨張を駆動し、再収縮後に圧力平衡が成立する。