[論文レビュー] Jet Formation in Black Hole Accretion Systems I: Theoretical Unification Model

Jonathan C. McKinney|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、ブラックホール降着系における相対論的ジェット形成の統一的理論的モデルを提案し、Blandford-Znajek機構によって駆動されるPoynting支配ジェットと、ディスクの重力エネルギーおよびBlandford-Znajekパワーによって駆動されるPoynting-バリオンジェットの違いを明確にしている。ジェットのローレンツ因子が放射過程によって制限されることを説明しており、AGNではシンクロトロン冷却（Γ ∼ 2–10）、XRBではコンプトンドラッグ（Γ ≲ 2）、GRBではニュートリノ／光子対消滅によって制限され、GRB、AGN、XRBの全範囲にわたってジェットの組成と終端速度を一貫した枠組みで説明可能である。

ABSTRACT

Two types of relativistic jets are suggested to form near accreting black holes: a potentially ultrarelativistic Poynting-dominated jet and a Poynting-baryon jet. One source of jet matter is electron-positron pair production, which is driven by neutrino annihilation in GRBs and photon annihilation in AGN and x-ray binaries. GRB Poynting-dominated jets are also loaded by electron-proton pairs by the collisional cascade of Fick-diffused free neutrons. We show that, for the collapsar model, the neutrino-driven enthalpy flux (classic fireball model) is probably dominated by the Blandford-Znajek energy flux, which predicts a jet Lorentz factor of $Γ\sim 100-1000$. We show that radiatively inefficient AGN, such as M87, are synchrotron-cooling limited to $Γ\sim 2-10$. Radiatively efficient x-ray binaries, such as GRS1915+105, are Compton-drag limited to $Γ\lesssim 2$, but the jet may be destroyed by Compton drag. However, the Poynting-baryon jet is a collimated outflow with $Γ\sim 1-3$. The jet from radiatively efficient systems, such as microquasar GRS1915+105, may instead be a Poynting-baryon jet that is only relativistic when the disk is geometrically thick. In a companion paper, general relativistic hydromagnetic simulations of black hole accretion with pair creation are used to simulate jet formation in GRBs, AGN, and x-ray binaries.

研究の動機と目的

• ガンマ線バースト（GRB）、活動銀河核（AGN）、X線連星（XRB）で観測される多様なジェット特性を、一つの理論的枠組みで統一すること。
• さまざまな降着系において、ジェットエネルギーフラックス、組成、コリメーション、および終端ローレンツ因子を支配する主な物理的メカニズムを特定すること。
• シンクロトロン冷却、コンプトンドラッグ、光子／ニュートリノ対消滅といった放射過程が、異なる環境下でのジェットローレンツ因子をどのように制限するかを特定すること。
• 理論的ジェットモデルと観測的制約（特に放射的に非効率な系（例：M87）および効率的な系（例：GRS1915+105））との関係を確立すること。
• 同伴論文（McKinney 2005b）における一般相対論的磁流体力学（GRMHD）シミュレーションの結果を解釈する基盤を提供すること。

提案手法

• Poynting支配ジェット（電磁気的エネルギーフラックスが支配的で、電子-陽電子または電子-陽子ペアが質量キャリア）とPoynting-バリオンジェット（Poyntingフラックスと静止質量フラックスが同等で、バリオンが支配的）の2つの主要なジェットタイプを提案。
• Poynting支配ジェットの主なエネルギー源としてBlandford-Znajek機構を適用し、特にGRBおよびAGNにおいて高ローレンツ因子（Γ ∼ 100–1000）を予測。
• 放射冷却およびドラッグ限界を用いて終端ジェットローレンツ因子を制限：シンクロトロン冷却はAGNジェットをΓ ∼ 2–10に制限し、コンプトンドラッグはXRBジェットをΓ ≲ 2に制限。
• ニュートリノ対消滅（GRB）および光子対消滅（AGN、XRB）によるペア生成を、Poynting支配ジェットへの質量負荷の主要メカニズムとして分析。
• コロナからのFick拡散自由中性子を用い、衝突的カスケードを介してGRBジェットへのバリオン汚染を説明。
• 理想MHD方程式を用いて流体力学的コリメーション力（ホープ応力および電磁界勾配）を導出し、ジェットのコリメーションを説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる観測ローレンツ因子を示すGRB、AGN、X線連星においても、相対論的ジェット形成を統一する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 シンクロトロン冷却やコンプトンドラッグといった放射過程が、異なる降着系におけるジェットの終端ローレンツ因子をどのように制限するか？
• RQ3 Poynting支配ジェットの組成は電子-陽電子ペアか電子-陽子ペアかを決定するのは何か？そして、異なる環境下でどのように質量負荷が行われるか？
• RQ4 ニュートリノ対消滅と光子対消滅は、GRBおよびAGN/XRBにおけるジェットのエネルギーおよび質量負荷にどのように寄与するか？
• RQ5 Blandford-Znajek機構は、高ローレンツ因子ジェットを駆動する上で果たす役割は何か？また、Poynting-バリオンジェットにおけるディスクの重力エネルギー放出と比較してどう異なるか？

主な発見

• GRBのコラプサー模型において、Blandford-Znajek機構がエネルギーフラックスを支配し、ジェットローレンツ因子Γ ∼ 100–1000を予測する。
• 放射的に非効率なAGN（例：M87）はシンクロトロン冷却に制限され、ジェットローレンツ因子がΓ ∼ 2–10に制限される。
• 放射的に効率的なXRB（例：GRS1915+105）はコンプトンドラッグに制限され、Γ ≲ 2であり、ジェットはコンプトンドラッグによって破壊される可能性がある。
• Poynting-バリオンジェットはコリメートされた流れであり、Γ ∼ 1–3であるが、降着ディスクが幾何学的に厚い場合にのみ相対論的になる可能性がある。
• GRBでは、ニュートリノ対消滅とFick拡散中性子が電子-陽子ペア生成を駆動し、バリオン汚染およびジェットローレンツ因子の制限を説明できる。
• 理論的モデルは、ジェットの組成と終端ローレンツ因子が、主に電磁気的エネルギーフラックス、放射冷却、ペア生成プロセスの相乗作用によって決定されることを予測している。