[論文レビュー] Numerical simulations of black hole accretion flows

Agnieszka Janiuk, Kostas Sapountzis+2 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ガンマ爆発（GRBs）やブラザールの極限的天体物理学的環境におけるブラックホール降着円盤およびジェット形成をモデル化する一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）数値シミュレーションフレームワークを提示する。磁界駆動風、ニュートリノ過程、およびBlandford–Znajek機構が組み合わさることで、相対論的ジェットを駆動し、キロノーバ放射を説明できることを示している。ジェットのローレンツ因子は約100に達し、$^{44}$Ti や $^{57}$Co などの放射性同位体からのX線放射も予測される。

ABSTRACT

We model the structure and evolution of black hole accretion disks, and their neighboring regions, using numerical simulations. The numerics is governed by the equations of general relativistic magneto-hydrodynamics (GRMHD). In particular, such disks and outflows can be found at the base of very energetic ultra-relativistic jets produced by cosmic explosions, so called gamma-ray bursts (GRBs). Another, more persistent type of the jet phenomena, are blazars, emitted from the centers of galaxies. Long-lasting, detailed computations are essential to properly determine the physics of these explosions, and confront the theoretical models with any potential observables. From the point of view of numerical methods and computational techniques, three ingredients need to be considered. First, the numerical scheme must work in a conservative manner, which is achieved by solving a set of non-linear equations at each time-step, to advance the conserved quantities from one time step to the next. Second, the efficiency of computations intrinsically depends on the code parallelization methods, which may use various techniques. Third, the analysis of results is possible via the post-processing of the computed time-dependent physical quantities, and visualization of the flow properties. This is done via implementing various packages and libraries that are standardized in the field of computational astrophysics and supported by community developers. In the present paper, we discuss the physical picture of the cosmic sources which are modeled using numerical framework. We also describe several technical issues, in the particular context of our own experience with the performance of the GRMHD code which we develop. We also present a suite of performance tests, done on the High-Performance Computer cluster (HPC) in the Center for Mathematical Modeling of the Warsaw University.

研究の動機と目的

• ガンマ爆発（GRBs）やブラザールのような極限的環境におけるブラックホール周囲の磁化降着円盤の構造と進化をモデル化すること。
• 一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）がブラックホールエンジンから超相対論的ジェットを駆動する役割を調査すること。
• 微視的物理学、特に核反応、状態方程式（EOS）、ニュートリノ輸送が円盤構造および噴出物の組成に与える影響を検討すること。
• シミュレートされた円盤の性質と観測可能なシグネチャ、特に放射性崩壊からのX線放射およびキロノーバ光曲線との関連を確立すること。
• GW170817やGRB 130603Bといったマルチメッセンジャー観測と照合することで、円盤-ジェット系の性質を制約するモデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 曲がった時空における相対論的MHD方程式の完全な集合を解く保存則を用いた有限体積GRMHDコードを用いて数値シミュレーションを実施する。
• GRBおよびキロノーバ環境に適した高温・高密度・デゲネレートプラズマの現実的な状態方程式（EOS）をシミュレーションフレームワークに組み込む。
• 非平衡状態下でのr過程同位体、特に $^{44}$Ti、$^{57}$Co、$^{65}$Zn の合成を計算するために核反応ネットワークを実装する。
• 放射性崩壊からの合成X線および可視光放射を計算するための事後処理ツールを用い、観測と比較可能にする。
• MPIを用いた並列化とハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）クラスタ向け最適化を実施し、パフォーマンスベンチマークを報告する。
• 乱流的で磁化された降着円盤の長期間にわたる正確な進化を保証するため、境界条件および数値的安定性を慎重に取り扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超降着円盤のGRMHDシミュレーションは、短時間ガンマ爆発およびキロノーバの観測特性をどの程度再現できるか？
• RQ2 GRBエンジンにおける相対論的ジェットを駆動する要因として、Blandford–Znajek機構とニュートリノ駆動風の寄与の相対的寄与度は何か？
• RQ3 核反応ネットワークおよびEOSといった微視的物理学が、円盤噴出物の組成とエネルギー予算にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 放射性同位体からのシミュレートされたX線放射が、GRB 130603Bの観測された放射度と一致するか？
• RQ5 円盤の乱流時定数およびジェットの変動時定数は、ブラザールおよびGRB放射における短時間スケール変動とどのように関係するか？

主な発見

• シミュレーションは、磁界駆動風による低電子分率（$Y_{\rm e}$）の風が、GW170817の観測と整合するキロノーバ放射を駆動できることを示している。
• ジェットの最終的ローレンツ因子は、超相対論的GRB噴流の観測と一致する約100のオーダーに達する。
• X線放射は $^{44}$Ti、$^{57}$Co、$^{65}$Ga などの放射性同位体から12–80 keVエネルギー帯で予測され、GRB 130603Bで観測された過剰な近赤外放射と一致する。
• Blandford–Znajek機構とニュートリノ過程は、GRBエンジンにおけるジェット駆動力にほぼ同等の寄与を示している。
• 円盤からの動的噴出物（質量 $M_{\rm ej} \sim 0.01 M_{\odot}$）は、約1週間のスケールで光学および近赤外帯で $10^{40}-10^{41}$ erg/s の放射を発することが予測される。
• GW170817の電磁的対応体の光曲線は、r過程核合成に一致する高速減衰・赤みがかった発光とよく一致する。