[論文レビュー] Jet Formation in Black Hole Accretion Systems II: Numerical Models

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

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ガンマ線バースト（GRBs）、活動銀河核（AGN）、X線連星を含む多様なブラックホール降着系におけるジェット形成をモデル化するため、ペア生成を組み込んだ一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）シミュレーションを提示する。Poynting支配ジェットは、コラプサー模型において磁気エネルギー抽出によってΓ ∼ 100–1000のローレンツ因子に達することを示した。一方、バリオンによる汚染を受けたPoynting-バリオンジェットはΓ ∼ 1.5–3に達し、ジェット加速は広い半径領域で発生する。ジェットの変動性は、トロイダル磁場不安定性によって駆動される。

ABSTRACT

In a companion theory paper, we presented a unified model of jet formation. We suggested that primarily two types of relativistic jets form near accreting black holes: a potentially ultrarelativistic Poynting-dominated jet and a Poynting-baryon jet. We showed 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 showed 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 $Γ\sim 1-3$. Here we present general relativistic hydromagnetic simulations of black hole accretion with pair creation used to simulate jet formation in GRBs, AGN, and x-ray binaries. Our collapsar model shows the development of a patchy ``magnetic fireball'' with typically $Γ\sim 100-1000$ and a Gaussian structure. Temporal variability of the jet is dominated by toroidal field instabilities for $\gtrsim 10^2$ gravitational radii. A broader Poynting-baryon jet with $Γ\sim 1.5$ could contribute to a supernova.

研究の動機と目的

• ガンマ線バースト（GRBs）、活動銀河核（AGN）、X線連星を含む多様な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物理的メカニズムを統一すること。
• 最小限の物理的原則に基づき、ジェットエネルギーの起源、組成、コリメーション、および最終ローレンツ因子を特定すること。
• ペア生成と中性子拡散を組み込んだ数値シミュレーションを通じて、McKinney (2005b) の理論枠組みを検証すること。
• 放射効率の高い系におけるジェットのローレンツ因子の制限要因としてのコンプトンドラッグとシンクロトロン冷却の役割を評価すること。
• 将来のモデリングに用いるために、ジェット構造の普遍的特徴（例：超音速流れ、自己相似性）を同定すること。

提案手法

• 数値的シミュレーションにより、ペア生成の有効モデルと中性子のFickの拡散を組み込んだ一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）方程式を解く。
• シミュレーションはKerr計量時空を用い、電磁場のエネルギー運動量テンソルが$ T^{ m EM}_{ ueta} = \frac{b^2}{2}(u_\nu u_\beta + P_{\nu\beta}) - b_\nu b_\beta $で与えられる理想MHD方程式を解く。ここで$ b^\mu $は磁場4元ベクトルである。
• GRBsにおける「磁気的ファイアボール」シナリオをモデル化し、ハブン領域でペア生成が発生し、中性子拡散によって制限され、最終ローレンツ因子が決定されることを想定する。
• ジェットダイナミクスは、アルヴェーン面、高速面、停止面といった特徴的な表面を用いて分析され、アルヴェーン点がエルゴスフィア内にある場合にのみエネルギー抽出が可能である。
• シミュレーションは、内側降着円盤から大半径領域までジェットの進化を追跡し、外側高速面の外側に加速領域が存在することを同定する。
• ジェット構造の曲線フィッティングを実施し、将来のジェットダイナミクスモデリングに用いるための区分的自己相似性を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホール降着系における相対論的ジェットの最終ローレンツ因子を決定づける物理的メカニズムは何か？
• RQ2 ペア生成と中性子拡散は、GRBsにおけるPoynting支配ジェットの組成と最大ローレンツ因子にどのように影響を与えるか？
• RQ3 半径100重力半径以上で、トロイダル磁場不安定性が相対論的ジェットの時間的変動性に果たす役割は何か？
• RQ4 放射効率の高い系（X線連星やAGNなど）において、コンプトンドラッグとシンクロトロン冷却はローレンツ因子をどのように制限するか？
• RQ5 GRBs、AGN、X線連星におけるジェット構造は、どの程度自己相似的または普遍的特徴を示すか？

主な発見

• コラプサー模型におけるPoynting支配ジェットは、観測と整合的な最終ローレンツ因子Γ ∼ 100–1000に達する。
• ジェット加速はブラックホール付近ではなく、広い半径領域で発生し、外側高速面が主な加速領域を示す。
• 半径100重力半径以上で、ジェットの時間的変動性は主にトロイダル磁場不安定性によって支配される。
• Poynting-バリオンジェットは、コリメートされた流出を形成し、最終ローレンツ因子Γ ∼ 1.5に達する。これは超新星駆動流出と整合的である。
• ジェット構造は区分的自己相似性を示し、将来のジェットダイナミクスモデリングに用いるための曲線フィットが提供された。
• モデルは、放射効率の高い系ではコンプトンドラッグがPoynting支配ジェットを破壊し、Γ ≲ 2に制限されることを確認した。一方、シンクロトロン冷却はAGNジェットのローレンツ因子をΓ ∼ 2–10に制限することが分かった。