[論文レビュー] Magnetic Fields of Compact Objects in Close X-Ray Binary Systems

M. Yu. Piotrovich, Yu. N. Gnedin+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2014

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、相対論的ジェットの運動エネルギーとBlandford-Znajek/Blandford-Payneジェット機構を用いて、X線連星系における恒星質量ブラックホールの内側安定円軌道（ISCO）における磁場強度を推定している。通常のISCO磁場強度は$10^7$〜$10^8$ Gの範囲にあり、ジェットの放射度とブラックホールのスピンから導かれた主要な値が、コンパクトX線連星における降着円盤の磁場に直接的な観測的制約を与える。

ABSTRACT

X-ray binary systems are very popular objects for astrophysical investigations. Compact objects in these systems are neutron stars, white dwarfs and black holes. Neutron stars and white dwarfs can have intrinsic magnetic fields. There is well known, famous theorem about absence of intrinsic magnetic fields of black holes. But magnetic field can exist in the accretion disk around a black hole. We present here the real estimates of the magnetic field strength at the radius of innermost stable orbit in an accretion disk of stellar mass black holes.

研究の動機と目的

• X線連星系における恒星質量ブラックホールの降着円盤のISCOにおける固有の磁場強度を推定すること。
• 従来のブラックホール降着円盤における磁場測定法の限界を克服するため、相対論的ジェットの運動エネルギーを代理指標として用いること。
• 実験的および理論的モデルを用いて、ISCO磁場がブラックホールスピンおよびジェット運動エネルギーにどのように依存するかを調査すること。
• 恒星質量ブラックホールにおけるISCO磁場推定値と超大質量ブラックホールのそれらを比較し、スケーリング則の洞察を得ること。

提案手法

• Blandford-ZnajekおよびBlandford-Payne機構に基づき、相対論的ジェットの運動エネルギーをISCOにおける磁場強度の代理指標として用いる。
• 実験的関係式$L_j = 10^{-16} B_{in,5}^2 (M_{BH}/10M_\bigodot)^2 f(a)$を適用し、$f(a)$はブラックホールスピン$a$に依存する。
• Fermi-LATからのジェット運動エネルギー推定値と、電波-X線相関（例：$L_X \sim L_R^{0.62}$）を用いて$L_j$を制約する。
• GRS 1915+105の準周期的揺動（QPO）周波数データと関係式$B_H = \sqrt{k\nu_{br}} / (1 + \sqrt{1 - a^2})$を用いて結果を検証する。
• 一般相対論的磁流体力学から導かれる関係式$B_H = \chi(a) B_{in} \approx e^{2a} B_{in}$を用いて、ホライズン磁場$B_H$とISCO磁場$B_{in}$を関連付ける。
• Russelら（2013年）およびPiotrovichら（2011年）の観測的制約を統合し、複数の天体にわたる一貫性のある$B_{in}$値を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 恒星質量ブラックホールX線連星におけるISCOでの磁場強度はどの程度か？
• RQ2 ISCO磁場強度はブラックホールスピンおよびジェット運動エネルギーにどのように依存するか？
• RQ3 相対論的ジェット運動エネルギーは、内側降着円盤における磁場強度の信頼できる代理指標として用いられるか？
• RQ4 恒星質量ブラックホールにおけるISCO磁場は、超大質量ブラックホールのそれらとどのように比較できるか？
• RQ5 Blandford-ZnajekおよびBlandford-Payne機構は、観測可能なジェット運動エネルギーと磁場を生成する上で果たす役割は何か？

主な発見

• X線連星系における恒星質量ブラックホールのISCO磁場強度は、$10^7$〜$10^8$ Gの範囲にあり、GRS 1915+105では典型的に$10^{7.96}$ G程度であると推定される。
• GRS 1915+105では、ジェット運動エネルギーが$L_j = 10^{-0.25} L_{\text{Edd}}$のとき、ISCO磁場は$10^{7.96}$ G（$\approx 9.1 \times 10^7$ G）と推定される。
• QPO周波数$\nu_{br} = 168$ Hzおよび$a = 0.99$を用い、$k=1$の下でホライズン磁場を計算すると$4.8 \times 10^8$ Gとなり、スピン依存補正を施した後、$B_{in} = 10^{7.84}$ Gが得られる。
• QPO解析から得られた$B_{in} = 10^{7.84}$ Gは、ジェット運動エネルギー解析から得られた$10^{7.96}$ Gと整合しており、独立した手法間での方法の妥当性が裏付けられる。
• A0620-00のISCO磁場は$10^{8.87}$ Gと推定され、低スピン系において極めて強い磁場が存在することを示唆しており、高降着率または磁場圧力の影響が関係している可能性がある。
• 一方、超大質量ブラックホールではISCO磁場は$10^4$〜$10^5$ Gのオーダーであり、磁場生成機構における強い質量依存性が示唆される。