[論文レビュー] Nonradial and nonpolytropic astrophysical outflows VIII. A GRMHD generalization for relativistic jets

Z. Méliani, C. Sauty+3 more|ArXiv.org|Oct 20, 2005

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 41被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、シュバルツシルトブラックホールのコロナ磁気圏から発生する相対論的ジェットを対象とし、経緯面自己相似性を用いて熱的駆動、磁気的または熱的コリメーションを受ける相対論的流れを研究する、一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）の半解析的モデルを提示する。相対論的効果は熱的駆動を強化するが、磁気的自己コリメーション効率を低下させ、コリメーションは磁気回転子効率を測るエネルギー的積分に強く依存することが判明した。

ABSTRACT

Steady axisymmetric outflows originating at the hot coronal magnetosphere of a Schwarzschild black hole and surrounding accretion disk are studied in the framework of general relativistic magnetohydrodynamics (GRMHD). The assumption of meridional self-similarity is adopted for the construction of semi-analytical solutions of the GRMHD equations describing outflows close to the polar axis. In addition, it is assumed that relativistic effects related to the rotation of the black hole and the plasma are negligible compared to the gravitational and other energetic terms. The constructed model allows us to extend previous MHD studies for coronal winds from young stars to spine jets from Active Galactic Nuclei surrounded by disk-driven outflows. The outflows are thermally driven and magnetically or thermally collimated. The collimation depends critically on an energetic integral measuring the efficiency of the magnetic rotator, similarly to the non relativistic case. It is also shown that relativistic effects affect quantitatively the depth of the gravitational well and the coronal temperature distribution in the launching region of the outflow. Similarly to previous analytical and numerical studies, relativistic effects tend to increase the efficiency of the thermal driving but reduce the effect of magnetic self-collimation.

研究の動機と目的

• シュバルツシルトブラックホール周辺の天体物理的噴流における非相対論的MHDジェットモデルを一般相対論的領域に拡張すること。
• 相対論的重力および時空の曲率が、熱的駆動、磁化されたジェットのコリメーションおよび加速に与える影響を調査すること。
• AGNスパインジェットの文脈において、磁気的ホープ応力および圧力力が相対論的ジェットコリメーションに果たす役割を評価すること。
• 相対論的効果がジェット基部近傍における重力ポテンシャル井戸の深さおよびコロナ温度分布に与える影響を定量化すること。
• 非相対論的自己相似MHD解を一般相対論的補正を含む形に一般化し、コリメーションを支配するエネルギー的積分の物理的洞察を保持すること。

提案手法

• 経緯面自己相似性の仮定を採用し、一般相対論的MHD方程式を径方向および角度座標における常微分方程式系に簡略化する。
• 力自由極限における定常的・軸対称なGRMHD方程式を解き、重力、磁場、熱的圧力の効果を組み込む。
• 磁場、速度、密度プロファイルに自己相似的アンザッツを適用し、径方向座標および極座標角でパrameter化する。
• 曲がった時空における重力的力、磁気的ホープ応力、勾配圧力、電気的力、熱的力のバランス方程式を導出する。
• 非相対論的ケースに類似したエネルギー的積分を導入し、磁気回転子駆動によるコリメーション効率を定量化する。
• 径方向および緯向方向の力項を比較することで、熱的駆動と磁気的自己コリメーションの相対的寄与を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的補正は、ブラックホールコロナからの磁化された流れにおける熱的駆動の効率にどのように影響するか？
• RQ2 特にイベントホライズン付近において、磁気的自己コリメーションは相対論的領域でもどの程度有効に保たれるか？
• RQ3 一般相対論的効果の下で、重力ポテンシャル井戸の構造およびコロナ温度分布はどのように変化するか？
• RQ4 磁気回転子効率積分は、相対論的ジェットのコリメーション角を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 半解析的GRMHD解は、高エネルギーのローレンツ因子と狭い開口角といった観測されたAGNジェットの主要特徴を再現できるか？

主な発見

• 相対論的効果は、ジェット基部領域における熱的駆動の効率を高め、極軸に沿ったプラズマの加速を促進する。
• 磁気的自己コリメーションは、電気的力の減速効果および流れの慣性の増大により、相対論的領域では低下する。
• ジェットのコリメーションは、磁気回転子効率を測るエネルギー的積分に強く依存しており、非相対論的モデルと整合的である。
• 重力井戸の深さは相対論的補正によって定量的に変化し、径方向の力のバランスおよびプラズマの軌道に影響を与える。
• ブラックホール付近のコロナ温度分布は、相対論的項の影響を受けて変更され、特にブラックホール付近で顕著である。
• 本モデルは、非相対論的MHDジェット解をGR領域に一般化でき、AGNのスパインジェットやGRBにおける相対論的噴流への応用が可能である。