[論文レビュー] Relativistic spine jets from Schwarzschild black holes: "Application to AGN radioloud sources"

Z. Méliani, C. Sauty+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2010

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 77被引用数 8

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における一般相対性理論的磁気流体力学（GRMHD）方程式の正確解を用いて、相対論的スパインジェットモデルを提案し、ジェットのコリメーションおよびローレンツ因子の進化が磁気回転子効率に強く依存することを示している。FRI/FRIIの二分法的特徴は、FRIジェットは周囲の媒体による熱的閉じ込めによって減速するが、FRIIジェットは高い磁気効率のおかげで高相対論的かつ自己コリメーションを維持するため説明できる。

ABSTRACT

The two types of Fanaroff-Riley radio loud galaxies, FRI and FRII, exhibit strong jets but with different properties. These differences may be associated to the central engine and/or the external medium. Aims: The AGN classification FRI and FRII can be linked to the rate of electromagnetic Poynting flux extraction from the inner corona of the central engine by the jet. The collimation results from the distribution of the total electromagnetic energy across the jet, as compared to the corresponding distribution of the thermal and gravitational energies. We use exact solutions of the fully relativistic magnetohydrodynamical (GRMHD) equations obtained by a nonlinear separation of the variables to study outflows from a Schwarzschild black hole corona. A strong correlation is found between the jet features and the energetic distribution of the plasma of the inner corona which may be related to the efficiency of the magnetic rotator. It is shown that observations of FRI and FRII jets may be partially constrained by our model for spine jets. The deceleration observed in FRI jets may be associated with a low magnetic efficiency of the central magnetic rotator and an important thermal confinement by the hot surrounding medium. Conversely, the strongly collimated and accelerated FRII outflows may be self collimated by their own magnetic field because of the high efficiency of the central magnetic rotator.

研究の動機と目的

• FRIおよびFRIIの電波強度の高いAGNジェットの観測上の差異を、相対論的スパインジェットモデルを用いて説明すること。
• 中心部の磁気回転子の効率がジェットのコリメーションおよびローレンツ因子の進化に与える影響を調査すること。
• ジェットの性質が内部のエンジンパラメータの影響か、外部環境要因の影響かを特定すること。
• コロナプラズマのエネルギー分布および磁場構造がジェットの形状に果たす役割を調査すること。
• スパインジェットを対象とした解析的フレームワークを提供し、カー黑洞への拡張およびブランドフォード＝ツナエック機構との対比的検証を可能とすること。

提案手法

• 非線形変数分離法を用いて、完全相対論的磁気流体力学（GRMHD）方程式の正確解を用いる。
• 自己相似的で解析的な手法を用いて、シュバルツシルトブラックホールコロナからの軸対称な噴流をモデル化する。
• 磁気回転子効率パラメータ η を変化させ、異なるジェット領域をシミュレートする。FRIに類似した解では η = 0.90、FRIIに類似した解では η = 0.86 を使用する。
• ローレンツ因子の進化、径方向の拡張または再コリメーション、圧力閉じ込め効果などのジェット挙動を分析する。
• 観測されたジェット特徴（ローレンツ因子、コリメーション角、kpcスケールでの減速）と解を比較する。
• ディスク風およびホスト銀河媒体からの外部圧力がジェットの閉じ込めおよび形状に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心部の磁気回転子の効率（パラメータ η で定量化）がジェットのローレンツ因子およびコリメーションにどのように影響を与えるか？
• RQ2 なぜFRIジェットはkpcスケールで減速するのに対し、FRIIジェットは高相対論的かつコリメートされたままであるのか？
• RQ3 FRI/FRIIの二分法的特徴は、外部環境ではなく、中心エンジン内の固有の違いによって説明可能か？
• RQ4 ジェットのコリメーションは、自己焦点化磁場の影響か、外部の熱的圧力の影響か、どちらが主因か？
• RQ5 内側コロナにおけるプラズマのエネルギー分布が、ジェットのダイナミクスおよび観測可能な特徴にどのように影響を与えるか？

主な発見

• η = 0.90 の場合、モデルは再コリメーションを示すジェットを生成し、最大ローレンツ因子 γ ≈ 2.8 に達した後、漸近領域で γ ≈ 2 に減速する。これはFRIジェットの挙動を模倣する。
• FRIに類似した解における減速は、特にディスク風に起因する周囲の媒体による熱的閉じ込めに起因しており、観測されたX線圧力と整合的である。
• η = 0.86 の場合、解は単調な拡張を示し、最大ローレンツ因子 γ ≈ 3 を示し、高い相対論的スピードを維持し、自己コリメーションを保つ。これはFRIIジェットの特徴である。
• モデルは、η のわずかな変化（0.86 から 0.90 へ）が、劇的に異なるジェット形状をもたらすことを示しており、磁気回転子効率に極めて敏感であることを示している。
• 結果から、FRIジェットは外部圧力（例：ディスク風）によって閉じ込められている可能性が示唆され、一方FRIIジェットは高い磁気効率のおかげで自らの磁場によって自己コリメーションされていると考えられる。
• モデルは、中心コロナがわずかに準ケプラーモード（η < 1）である必要があることを示唆しており、これはケプラーモードの限界未満で動作する磁気回転子と整合的である。