[論文レビュー] Outflow from super-Eddington flow: where it originates from and how much impact it gives?

Takaaki Kitaki, Shin Mineshige+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2021

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、超Eddington降着流における外流の起源と影響を特定するため、大規模な二次元放射力流体力学的シミュレーションを実施した。外流は主に約140 rS以内から発生し、質量外流率は約24 L_Edd/c²、力学的光度は約0.16 L_Eddであり、観測されたULXと整合的である。

ABSTRACT

It is widely believed that super-Eddington accretion flow can produce powerful outflow, but where it originates from and how much mass and energy are carried away to which directions? To answer to these questions, we newly perform a large-box, two-dimensional radiation hydrodynamic simulation, paying special attention lest the results should depend on adopted initial and boundary conditions. We could achieve a quasi-steady state in an unprecedentedly large range, $r=2~r_{ m S}$-$600~r_{ m S}$ (with $r_{ m S}$ being the Schwarzschild radius) from the black hole. The accretion rate onto the central $10 ~M_{\odot}$ black hole is $\dot{M}_{ m BH} \sim 180 ~L_{ m Edd}/c^{2}$, whereas the mass outflow rate is ${\dot M}_{ m outflow} \sim 24 ~L_{ m Edd}/c^2$ (where $L_{ m Edd}$ and $c$ are the Eddington luminosity and the speed of light, respectively). The ratio (${\dot M}_{ m outflow}/{\dot M}_{ m BH} \sim 0.14$) is much less than those reported previously. By careful inspection we find that most of outflowing gas which reach the outer boundary originates from the region at $R\lesssim140~r_{ m S}$, while gas at $140~r_{ m S}$-$230 ~r_{ m S}$ forms failed outflow. Therefore, significant outflow occurs inside the trapping radius $\sim 450 ~r_{ m S}$. The mechanical energy flux (or mass flux) reaches its maximum in the direction of $\sim 15^\circ$ ($\sim 80^\circ$) from the rotation axis. The total mechanical luminosity is $L_{ m mec}\sim 0.16~L_{ m Edd}$, while the isotropic X-ray luminosity varies from $L_{ m X}^{ m ISO}\sim 2.9~L_{ m Edd}$, (for a face-on observer) to $\sim 2.1~L_{ m Edd}$ (for a nearly edge-on observer). The power ratio is $L_{ m mec}/L_{ m X}^{ m ISO}\sim 0.05$-$0.08$, in good agreement with the observations of Ultra-Luminous X-ray sources surrounded by optical nebulae.

研究の動機と目的

• 超Eddington降着流における外流の空間的起源を特定すること。
• 異なる方向に運ばれる外流に伴う質量フラックスとエネルギーフラックスを定量化すること。
• 初期条件および境界条件が外流の性質に与える影響を評価すること。
• 光子捕獲と粘性加熱が降着-外流構造に与える役割を検討すること。
• シミュレーションで得られた力学的光度とX線光度を、超光度X線源（ULX）の観測と比較すること。

提案手法

• 人工的な境界効果を避けるために、r = 2 rS から 3000 rS をカバーする大ボックス、二次元放射力流体力学的シミュレーションを実施。ケプラーディアン半径は2430 rSに設定した。
• r ≤ 600 rS の領域で準定常状態アプローチを用い、外流および降着の診断の信頼性を確保した。
• ガスの流れの軌跡と質量フラックスを追跡し、本物の外流と失敗した外流の発生半径を特定した。
• 運動エネルギーのフラックスから力学的光度（L_mec）を、異なる視線方向における放射フラックスから等方的X線光度（L_X^ISO）を計算した。
• スリムディスクモデルと光子捕獲半径（R_trap ≈ 450 rS）を用いて、ディスク構造と外流形成を解釈した。
• 時間平均およびスナップショット解析を実施し、ディスク内の対流運動とエネルギー収支を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外流は降着流のどの領域から発生し、発生領域の半径的範囲はどの程度か？
• RQ2 降着率の何パーセントが外流によって運ばれるのか？また、これは降着率に依存するか？
• RQ3 外流の力学的光度はどの程度で、等方的X線光度と比べてどうか？
• RQ4 ディスクの赤道面と表面層では、放射エネルギーとガスエネルギーの収支にどのような違いがあるか？
• RQ5 初期条件および境界条件が、シミュレーションされた外流の性質にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 外流は主に約140 rS以内から発生し、外縁に達するガスの大部分がこの領域から来ている。
• 質量外流率は約24 L_Edd/c²、ブラックホールの降着率は約180 L_Edd/c²であり、質量外流率/降着率比は約0.14である。
• 力学的光度（L_mec）は約0.16 L_Eddに達し、回転軸から約15°の方向でピークを示す。
• 等方的X線光度は、正面視で約2.9 L_Edd、縁面視で約2.1 L_Eddの範囲を示し、L_mec/L_X^ISO の比は約0.05～0.08である。
• 光子捕獲半径（R_trap ≈ 450 rS）は、ブラックホール付近の厚いディスク（H/R ~ 1）と、それより大きな半径での薄い一定厚さのディスクに分ける。
• 対流はディスクで顕著であり、特に約40 rS以内で顕著で、シミュレーションの座標系においては、より頻繁に時計回りに発生する。