[論文レビュー] Ratio of kinetic luminosity of the jet to bolometric luminosity of the disk at the "cold" accretion onto a supermassive black hole

S. V. Bogovalov|arXiv (Cornell University)|May 9, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、『冷たい』超大質量ブラックホールへの降着において、磁場による効率的な角運動量輸送のおかげで、ジェットの運動的発光度が降着円盤の全波長発光度を上回り得ると提案する。シャクーラ＝スニャエフのαディスクモデルを用いて、発光度比はディスク内部の磁気圧とジェット風の基部における磁気圧の比に大きく依存することを導出し、M87およびSgr A*における観測されたジェット出力の予測に成功した。

ABSTRACT

Disk accretion onto black holes is accompanied by collimated outflows (jets). In active galactic nuclei (AGN), the kinetic energy flux of the jet may exceed the bolometric luminosity of the disk a few orders of magnitude. This phenomena can be explained in frameworks of so called "cold" disk accretion when the only source of energy of AGN is the energy released at the accretion. The radiation from the disk is suppressed because the wind from the disk carries out almost all the angular momentum and the gravitational energy of the accreted material. In this paper, we calculate an unavoidable radiation from the "cold" disk and the ratio of the kinetic energy luminosity of the outflow to the bolometric luminosity of the accretion disk around a super massive black hole in framework of the paradigm of the optically thick alpha-disk of Shakura \& Sunyaev. The ratio of the luminosities is defined predominantly by the ratio of the magnetic field pressure inside the disk to the magnetic field pressure at the base of the wind. The obtained equations applied to the jet of M87 demonstrate good agreement with observations. In the case of Sgr A*, these equations allow us to predict the kinetic energy flux from the disk around Galactic SMBH.

研究の動機と目的

• AGN、特にM87およびSgr A*におけるジェット運動的発光度がディスク全波長発光度を上回るというパラドックスを解消すること。
• 風駆動による角運動量輸送によって放射が抑制される『冷たい』降着のエネルギー的性質を調査すること。
• ジェットの運動的発光度が降着円盤の全波長発光度を上回る物理的条件を特定すること。
• 高効率ジェット生成の文脈において、シャクーラ＝スニャエフのαディスクモデルの妥当性を検証すること。
• 観測されたディスク発光度および磁場構造に基づき、銀河中心の噴流の運動的発光度を予測すること。

提案手法

• 光学的厚さを仮定したシャクーラ＝スニャエフのαディスクモデルを用い、ジェット運動的発光度とディスク全波長発光度の比を定式化する。
• 発光度比を、ディスク内部の磁気圧と風の基部における磁気圧の比（θ）の関数として導出する。
• M87およびSgr A*の観測データを用いて、導出された方程式が観測発光度と整合することを検証する。
• ブラックホールの基本平面を用いて、観測されたX線および電波放射度から降着率とディスク発光度を推定する。
• モデルから導出されたべき乗則スケーリングを用いて、観測された全波長発光度から降着率ṁを推定する。
• ṁおよびθに基づいて、『冷たい』降着と標準シャクーラ＝スニャエフ降着の間の遷移を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 『冷たい』降着の枠組み内で、AGNのジェット運動的発光度が降着円盤の全波長発光度を上回り得るか？
• RQ2 顕著なディスク放射が存在しない状況下で、ジェット運動的発光度とディスク全波長発光度の比は何かによって決定されるか？
• RQ3 ディスク内部と風の基部における磁気圧比（θ）が『冷たい』降着における発光度比をどのように制御するか？
• RQ4 『冷たい』降着の状態が、M87およびSgr A*における観測されたジェット出力の説明にどの程度有効か？
• RQ5 どの降着率で『冷たい』降着から標準シャクーラ＝スニャエフ降着に遷移するか？

主な発見

• ジェット運動的発光度とディスク全波長発光度の比は、主にディスク内部の磁気圧と風の基部における磁気圧の比（θ）に支配され、θが大きいほど強力なジェット生成が促進される。
• M87に対して、モデルが予測する発光度比は観測とよく一致しており、高出力ジェットのフレームワークが妥当であることを検証した。
• Sgr A*に対して、モデルはディスク全波長発光度が10³⁶ erg/sのとき、運動的発光度を4.4 × 10³⁹ erg/sと予測し、ディスク発光度を4400倍も上回っている。
• モデルは、低降着率（ṁ < 10⁻²）では『冷たい』降着の状態が支配的であり、重力エネルギーの大部分が放射ではなくジェットに向けられるとして予測している。
• 『冷たい』降着から標準シャクーラ＝スニャエフ降着への遷移は、ṁ ≈ 0.01–0.1の範囲で発生し、AGNの明るさおよび噴流活動の観測的遷移と整合的である。
• 推定されたθは、降着率の増加に伴い2桁増加することが分かっており、MRIダイナモのシミュレーションおよび観測的制約と整合的である。