[論文レビュー] Making Fanaroff-Riley I radio sources. Numerical Hydrodynamic 3D Simulations of Low Power Jets

S. Massaglia, G. Bodo+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 45被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、3次元流体力学的シミュレーションを用いて、低出力ジェット（運動エネルギー力 ≤10⁴³ erg s⁻¹）が、乱流による段階的エネルギー散逸を通じて自然にファンアロフ・ライアリングI型（FR I）形態を形成することを示している。これは、エネルギーが終端衝撃で急激に放出されるFR II源とは対照的である。3次元性が不可欠である。2次元シミュレーションでは、小スケールへのエネルギーの3次元的拡散が存在しないため、FR Iに類似したプラウム構造を再現できない。

ABSTRACT

Extragalactic radio sources have been classified into two classes, Fanaroff-Riley I and II, which differ in morphology and radio power. Strongly emitting sources belong to the edge-brightened FR II class, and weakly emitting sources to the edge-darkened FR I class. The origin of this dichotomy is not yet fully understood. Numerical simulations are successful in generating FR II morphologies, but they fail to reproduce the diffuse structure of FR Is. By means of hydro-dynamical 3D simulations of supersonic jets, we investigate how the displayed morphologies depend on the jet parameters. Bow shocks and Mach disks at the jet head, which are probably responsible for the hot spots in the FR II sources, disappear for a jet kinetic power L_kin < 10^43 erg/s. This threshold compares favorably with the luminosity at which the FR I/FR II transition is observed. The problem is addressed by numerical means carrying out 3D HD simulations of supersonic jets that propagate in a non-homogeneous medium with the ambient temperature that increases with distance from the jet origin, which maintains constant pressure. The jet energy in the lower power sources, instead of being deposited at the terminal shock, is gradually dissipated by the turbulence. The jets spread out while propagating, and they smoothly decelerate while mixing with the ambient medium and produce the plumes characteristic of FR I objects. Three-dimensionality is an essential ingredient to explore the FR I evolution because the properties of turbulence in two and three dimensions are very different, since there is no energy cascade to small scales in two dimensions, and two-dimensional simulations with the same parameters lead to FRII-like behavior.

研究の動機と目的

• 銀河間電波源におけるジェットパラメータがFR IIからFR I形態への遷移をどのように支配するかを調査すること。
• 低出力ジェットの2次元シミュレーションが、なぜFR I源に類似したプラウム状構造を再現できないかを特定すること。
• 3次元性が乱流によるエネルギー散逸およびジェットの拡散を可能にする役割を明確にすること。
• FR I源は、終端衝撃ではなく、段階的エネルギー散逸によって特徴づけられることを確立すること。

提案手法

• 環境温度が増加する層状で均一でない媒体中における超音速ジェットの3次元流体力学（HD）シミュレーションを実施。
• 圧力一定、温度増加の外部媒体を用いて、星間・銀河団間遷移をモデル化。
• ジェットパラメータ（マッハ数M=4, 10, 40；密度比η）を用いて運動エネルギー力を制御し、FR Iに類似するケースではL_kin ≤10⁴³ erg s⁻¹とする。
• 次元性の役割を隔離するために、2次元シミュレーションと比較。
• ジェット先端の位置と速度を追跡し、伝播およびエネルギー供給ダイナミクスを評価。
• 磁場および浮力効果を無視し、準相対論的ジェットにおける流体力学的乱流に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元乱流は、銀河間電波源における低出力ジェットの形態にどのように影響するか？
• RQ2 低出力ジェットの2次元シミュレーションが、なぜFR I源に類似した拡散的プラウム状構造を再現できないのか？
• RQ3 FR I/FR II遷移における運動エネルギー力の閾値（約10⁴³ erg s⁻¹）の役割は何か？
• RQ4 空間的分布およびメカニズムの観点から、FR I源とFR II源におけるエネルギー散逸はどのように異なるか？
• RQ5 磁場や相対論的効果を導入しない流体力学的シミュレーションで、観測されたFR I形態を再現できるか？

主な発見

• 運動エネルギー力 ≤10⁴³ erg s⁻¹ のジェットは、乱流による段階的エネルギー散逸を示し、FR I源に特徴的な拡散的プラウム状構造を形成する。
• 3次元性は乱流発展にとって不可欠であり、同一パラメータの2次元シミュレーションでは、エネルギーが先端に集中したFR IIに類似した細長いジェットが生成される。
• M=4および低L_kinの場合、ジェットは広がり、滑らかに減速し、周囲媒体と混合して大規模な乱流プラウムを形成する。
• 低出力ケースのジェット先端は、r≳80 kpcで徐々に減速し、一貫性を失うが、高出力ジェットで見られる安定的で高速な伝播とは対照的である。
• M=10（遷移閾値付近）では、FR IおよびFR IIの両特徴を示す形態となり、より段階的なエネルギー供給および初期の乱流の兆候が観察される。
• シミュレーションは、FR Iジェットが10⁷年以上にわたって宿主銀河内に閉じ込められ、持続的ラジオモードフィードバックが可能であることを確認した。