[論文レビュー] Shocks in relativistic transverse stratified jets, a new paradigm for radio-loud AGN

O. Hervet, Z. Méliani+5 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 80被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、高速な内層スプライン（spine）が遅い外層に埋め込まれた横方向の層別構造と、VLBIデータで観測されるキノコ状の内部衝撃波の形成を結びつける、電波強発銀河核（AGN）ジェットの新パラダイムを提案する。2次元特殊相対論的流体力学（SRHD）シミュレーションを用いて、外層ジェットの相対的エネルギーフラックスが衝撃波の挙動を決定することを示した。弱い外層ジェットでは、核付近に静止し減衰する衝撃波が形成され（HBLに一致）、強い外層ジェットでは、大規模な距離で移動する衝撃波が発生する（FSRQおよびIBL/LBLに一致）。この結果、AGN分類、降着状態、ジェット構造の統合的枠組みが構築された。

ABSTRACT

The transverse stratification of active galactic nuclei (AGN) jets is suggested by observations and theoretical arguments, as a consequence of intrinsic properties of the central engine (accretion disc + black hole) and external medium. On the other hand, the one-component jet approaches are heavily challenged by the various observed properties of plasmoids in radio jets (knots), often associated with internal shocks. Given that such a transverse stratification plays an important role on the jets acceleration, stability, and interaction with the external medium, it should also induce internal shocks with various strengths and configurations, able to describe the observed knots behaviours. By establishing a relation between the transverse stratification of the jets, the internal shock properties, and the multiple observed AGN jet morphologies and behaviours, our aim is to provide a consistent global scheme of the various AGN jet structures. Working on a large sample of AGN radio jets monitored in very long baseline interferometry (VLBI) by the MOJAVE collaboration, we determined the consistency of a systematic association of the multiple knots with successive re-collimation shocks. We then investigated the re-collimation shock formation and the influence of different transverse stratified structures by parametrically exploring the two relativistic outflow components with the specific relativistic hydrodynamic (SRHD) code AMRVAC. We were able to link the different spectral classes of AGN with specific stratified jet characteristics, in good accordance with their VLBI radio properties and their accretion regimes.

研究の動機と目的

• AGNジェットにおける多様なキノコ運動を説明できない1成分内部衝撃モデルの不整合を解消すること。
• 特に高速なスプラインと遅い外層からなる横方向ジェットの層別構造が、内部衝撃波の形成と進化に与える影響を調査すること。
• 流体力学的シミュレーションを通じて、観測されたVLBIキノコの形状・運動を、特定の降着状態（ADAF、標準円盤、ハイブリッド円盤）に結びつけること。
• ジェット構造、衝撃波ダイナミクス、AGN分類（例：HBL、FSRQ、IBL/LBL）を統合的に結びつけるフレームワークを確立すること。
• 外層ジェット成分の相対的エネルギーフラックスが、衝撃波の挙動（静止 vs. 動的）を制御することを示すこと。

提案手法

• 過圧力を持つ2成分ジェットをモデル化するため、AMRVACコードを用いて完全な2次元特殊相対論的流体力学（SRHD）シミュレーションを実施した。
• 内層スプラインと外層の間のエネルギーフラックス比をパラメータ変化させ、さまざまなジェット構成を探索した。
• 再収束衝撃波の形成と進化を研究するため、静的な外部媒質中をジェットが進行するのを模擬した。
• 外層ジェットのエネルギーフラックスに応じた衝撃波の強度、位置、運動（静止または移動）を分析した。
• MOJAVE協会の長期的VLBIモニタリングデータと照合して、シミュレーション結果の妥当性を検証した。
• シミュレートされた衝撃波挙動と、観測されたAGNスペクトルクラスおよび降着状態（ADAF、標準円盤、ハイブリッド円盤）を相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的ジェットにおける横方向の層別構造が、VLBIで観測されるキノコ状の内部衝撃波の形成と進化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 内部衝撃波が静止するか移動するかを決定するのは何か？ これは外層ジェット成分のエネルギーフラックスとどのように関係するか？
• RQ3 外層ジェットのパワーを変化させた2成分ジェットモデルによって、観測されたAGNジェットキノコの挙動の多様性（強度、位置、運動）を説明できるか？
• RQ4 異なる降着状態（ADAF、標準円盤、ハイブリッド円盤）は、どのように異なるジェット構造と衝撃配置に対応するか？
• RQ5 AGN分類（HBL、FSRQ、IBL/LBL）を、特定のジェット層別構造と衝撃ダイナミクスに統合的に結びつけるモデルは可能か？

主な発見

• 外層ジェットが全エネルギーフラックスの1%未塔（弱い）場合、核付近に静止し減衰する内部衝撃波が形成され、これは高周波数ピークを持つBLラクス（HBL）とADAF降着状態に一致する。
• 内層と外層のエネルギーフラックスがほぼ同等の場合、非常に強い最初の内部衝撃波が形成され、これはフラットスペクトル電波クェーサー（FSRQ）と標準降着円盤の性質と一致する。
• 相対的に強い外層ジェットは、核付近の内部衝撃波を強化するとともに、大規模な距離で移動する衝撃波を駆動する。これは低・中周波数ピークを持つBLラクス（IBL/LBL）と、中心部がADAF、外層が標準円盤のハイブリッド降着円盤に一致する。
• 外層ジェットの寄与度は、HBL（最も弱い外層）< FSRQ（バランスの取れた成分）< IBL/LBL（強い外層）の順に増加し、観測された衝撃波挙動と相関する。
• 外層ジェットが強い場合、遠方でジェットの開口角が拡大する現象がシミュレーションで再現され、VLBI観測による延長ジェット構造と一致する。
• 本モデルは、AGNのスペクトルクラスを特定のジェット層別構造と衝撃ダイナミクスに結びつけることに成功し、AGNジェット分類の新しい統合的枠組みを提供する。