[論文レビュー] Magnetized accretion-ejection structures V. Effects of entropy generation inside the disc

Fabien Casse, Jonathan Ferreira|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2000

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、粘性加熱によるエントロピー生成を含む磁化降着円盤の定常状態MHDシミュレーションを提示し、熱的効果がジェット噴出効率を顕著に向上させることを示している。標準モデルでは質量負荷パラメータξが約0.01であるのに対し、コロナ加熱を持つ円盤では最大で約0.5にまで上昇する。熱力学的物理を組み込むことで、高速および低速の磁気的回転子の両方が可能となり、ジェット特性が円盤のエネルギー状態に強く依存することを示し、ジェット生成系における「エネルギー問題」を解決する。

ABSTRACT

In this paper, steady-state MHD calculations of non-relativistic magnetized accretion discs driving jets are presented. For the first time, an energy equation describing the effects of entropy generation along streamlines is included. Using a simplified approach, we showed that thermal effects have a tremendous influence on the disc capability to feed jets with mass. The disc ejection efficiency is measured by the parameter $\\xi= d \\ln \\dot{M}_{a}/d \\ln{r}$, where $ \\dot{M}_{a}(r)$ is the local disc accretion rate. While previous self-similar solutions were only able to produce jets with $\\xi \\sim 0.01$, solutions with a coronal heating display huge efficiencies up to $\\xi \\sim 0.5$. Moreover, taking thermal effects into account allows to obtain both fast and slow magnetic rotators. Since most of the jet properties (like asymptotic velocity or degree of collimation) depend on the mass load, it arises from this study that any quantitative result requires a detailled analysis of the disc energetics.

研究の動機と目的

• 低輝度円盤から強力なジェットが観測されるという『エネルギー問題』を解決すること。これは、その運動エネルギーを説明できない低輝度の円盤から強力なジェットが発生していることによる。
• 特に粘性加熱によるエントロピー生成という熱的効果が、磁気的に駆動されるジェットへの質量負荷効率に与える影響を調査すること。
• 従来の自己相似MHDモデル（磁化降着・噴出構造MAES）に、完全なエネルギー方程式と熱力学的物理を組み込み、その拡張を行うこと。
• 円盤加熱が高速および低速の磁気的回転子の両方を可能にする条件を特定し、それがジェットのコリメーションおよび漸近的速度に与える影響を解明すること。

提案手法

• 自己相似MHDモデルを用いて、粘性加熱とストリームラインに沿ったエントロピー生成を考慮したエネルギー方程式を含む全方程式系を解く。
• 降着率、角速度、磁場の半径依存性を持つ幾何学的薄型からやや厚い構造として円盤をモデル化する。
• 粘性加熱はせん断応力テンソルと角速度の半径勾配を用いて計算され、加熱率はη_v |r∇Ω|²として表される。
• モデルは、粘性加熱の割合(1−f)が円盤表面に運ばれ放射され、残りは輸送されたりジェットの駆動に使われると仮定する。
• 有効温度と光球層高さは、若い星の対象（YSO）にはローゼルド透明度、AGNやマイクロクェーサーにはトンプソン透明度を用い、光学濃度τは密度と透明度プロファイルから推定する。
• 解は磁気的トルクと粘性的トルクの比（Λ）に基づいて分類され、非散乱的（Λ ≫ 1）および散乱的（Λ ≈ 1）MAESに区別される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粘性加熱によるエントロピー生成の組み込みが、磁化降着円盤の質量負荷効率にどのように影響するか？
• RQ2 円盤内の熱的効果が、高速および低速の磁気的回転子の両方の形成を可能にするか？その挙動を決定づける要因は何か？
• RQ3 熱エネルギーをエネルギー予算に正しく組み込むと、ジェット噴出効率（ξ）の最大値はどの程度に達するか？
• RQ4 粘性加熱とオーム加熱の比が、円盤の光学濃度および熱的構造にどのように影響するか？
• RQ5 どのような条件下で、顕著な加熱があっても円盤が光学的厚さを保つことができるか？その条件が薄円盤近似の妥当性に与える影響は？

主な発見

• 粘性加熱の組み込みにより、ジェットの質量負荷効率（ξ）は標準モデルの約0.01から、コロナ加熱を持つ円盤では最大で約0.5まで上昇し、噴出能力が顕著に向上することが示された。
• 高ξの解は、熱的物理が組み込まれた場合にのみ可能であり、高効率ジェット発生には熱力学的物理が不可欠であることが明らかになった。
• 磁気的トルクと粘性的トルクのバランスに応じて、高速および低速の磁気的回転子の両方が得られ、後者は漸近的ジェット速度を決定づける。
• 若い星の対象（YSO）では、光球層のアスペクト比はε_phot ≈ 0.07(1−f)^{1/9} α_v^{-1/9} (Ṁ_a / 10^{-7} M_⊙/yr)^{2/9} (M_*/M_⊙)^{-1/3} となり、α_v ~ 10^{-2} の場合に円盤が光学的厚さを保つことが確認された。
• AGNおよびマイクロクェーサーでは、ε_phot ≈ 0.6(1−f)^{1/10} α_v^{-1/10} (Ṁ_a / M_⊙/yr)^{1/5} (M_*/M_⊙)^{-3/10} (r/3r_g)^{1/20} であり、典型的なAGNパラメータではτ ~ 2.4×10^8 / (α_v^{4/5}(1−f)^{1/5}(1+Λ))となる。
• 高トルク（Λ ≥ ε^{-1}）の領域でも、オーム加熱は粘性加熱と同等の大きさとなり、円盤の光学的厚さを保証するため、ε = 0.1を保守的な見積もりとして用いることが正当化される。