[論文レビュー] Monte Carlo Simulations of the Advective Inflow and Outflow around a Black Hole

Himadri Ghosh|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2013

Meteorological Phenomena and Simulations参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ブラックホール周囲の高温で摂動的な電子雲が、ケプラーディスクからの軟光子をコンプトン化するのをシミュレートする3次元モンテカルロ放射移動コードを提示する。時間に依存する流体力学シミュレーション（TVD）と結合することで、軸対称的なディスク放射が初期に球対称なコンプトン雲を軸対称に変形させ、極方向では顕著なスペクトル硬化と、赤道面では軟化を引き起こすことが示された。これは、低角運動量流れにおけるコンプトン冷却とショックダイナミクスによって駆動される。

ABSTRACT

In this Thesis, we describe the development of a three-dimensional radiative transfer code using Monte Carlo technique and its application to various astrophysical problems. This code is capable of simulating the radiation spectra coming out of the electron cloud of an accretion disk around compact objects, such as black hole X-ray binaries (XRBs). Physical processes included in this code are the relativistic Maxwell-Juttner momentum distribution of the electrons, Compton scattering with these electrons, and gravitational red shift of the photons. Due to general nature of the code, processes like synchrotron radiation, bremsstrahlung radiation, Coulomb coupling and the pair production are also possible to incorporate. Various types of photon energy distribution (e.g., mono-energetic, power-law, black-body and multi-colour black body) and geometry of the photon source (e.g., point or disk) can be used. In this Thesis, we have mainly used multi-color black body photons coming out of a Keplerian disk as the source of soft radiation. This soft radiation is intercepted by the electron cloud. Depending on the optical depth of the cloud, and energy of the electrons, the soft photons may get Comptonized and inverse-Comptonized via multiple scattering or may suffer no scattering at all, and they emerge out of the cloud as a relatively harder radiation. Our simulations provide information regarding the accretion disk and the central compact object.

研究の動機と目的

• ブラックホール周囲の高温で摂動的な電子雲におけるコンプトン散乱をモデル化できる3次元モンテカルロ放射移動コードの開発。
• コンプトン化雲のサイズと密度の変化が、ブラックホールX線連星におけるスペクトル状態遷移をどのように引き起こすかの調査。
• 流入、噴流（ジェット）およびコンプトン化の相乗作用の解明、特に発散する噴流が光子を下方散乱させる一方、流入が上方散乱を引き起こすメカニズムの解明。
• モンテカルロ放射移動コードを時間に依存する流体力学シミュレーション（TVD）と結合し、現実的で時間的に変化する降着流をモデル化。
• コンプトン冷却が流れのダイナミクスに与える影響、特に軸近傍におけるショックの形成と速度・圧力の変化の解明。

提案手法

• 相対論的マクスウェル＝ジュッター分布とコンプトン散乱断面積を用いた3次元モンテカルロコードの実装。
• 重力赤方偏移、多色ブラックボディ源（例：ケプラーディスク）からの光子注入、エネルギー依存性散乱の組み込み。
• 完全な一般相対性理論を用いずにブラックホール時空効果をモデル化するための擬似ニュートンポテンシャル（擬似ニュートン重力）の使用。
• 時間に依存する流れ構造（例：ショック波、降着流）を放射移動の入力として使用するため、モンテカルロコードと全変動減少（TVD）流体力学コードを結合。
• 複数回の散乱と電子へのエネルギー移動を含む光子の履歴を追跡することで、光子の脱出時間とスペクトルの時間的変化をシミュレート。
• 静的幾何（トーラス、円錐ジェットを伴う球対称流入）および動的で時間的に変化する流れ（例：振動するショック）の両方に対して、結合コードを適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンプトン化電子雲の幾何学的形状と光学厚さが、ブラックホールX線連星における出射X線スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 流入物質（上方散乱）と噴流（下方散乱）の両方が、最終観測スペクトルに与える相対的寄与は何か？
• RQ3 軸対称的ディスクからのコンプトン冷却が、球対称降着流の対称性とダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 光子が雲内に留まる時間の長さが、コンプトン雲内でのスペクトル硬化または軟化にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 低角運動量流れにおける時間に依存するショックの振動が、観測可能なスペクトル的・タイミング的変動（例：準周期的振動、QPO）を生じるか？

主な発見

• 初期に球対称なコンプトン雲でも、下部に位置するケプラーディスクからの軟光子による軸方向の強化されたコンプトン冷却により、軸対称的になる。
• 軸方向のコンプトン冷却により圧力が低下し、特に軸に近い場所にショックを形成する低角運動量流れでは、流れの速度が最大25%まで増加する。
• ショック波後方領域は著しく冷却され、噴流はディスクに戻る可能性がある。これは、Chakrabarti & Manickam (2000) のジェット駆動型コンプトン化メカニズムを確認するものである。
• スペクトルは方向依存的である：軸方向スペクトルには顕著な軟光子バンプが現れ、赤道面スペクトルは散乱と冷却が減少しているためより硬い。
• 雲内に最大100 ms留まる光子は、複数回の散乱により硬化するが、100 ms以上滞在する光子は冷却された電子にエネルギーを還元し、脱出時に軟化する。
• 高角運動量流れにおける振動するショックは、時間的に変化するスペクトル勾配を生じさせ、準周期的振動（QPO）を生成する可能性がある。これにより、流体力学的ダイナミクスと観測可能なタイミング特徴の関連が裏付けられる。