[論文レビュー] Spectral calculations of 3D RMHD simulations of super-Eddington accretion onto a stellar-mass black hole

Brianna S. Mills, Shane W. Davis+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、6.62 M⊙ のブラックホールへの超Eddington降着を3次元RMHDシミュレーションで行った後処理として、モンテカルロ放射輸送を用いて合成X線スペクトルを計算した。マルチグループのコンプトン散乱処理は、グレイ近似と比較してより硬いスペクトルと高い温度をもたらし、ULXs（例：NGC 1313 X-1）で観測された硬X線尾部とよく一致する後処理スペクトルを生成した。

ABSTRACT

We use the Athena++ Monte Carlo (MC) radiation transfer module to post-process simulation snapshots from non-relativistic Athena++ radiation magnetohydrodynamic (RMHD) simulations. These simulations were run using a gray (frequency integrated) approach but were also restarted and ran with a multi-group approach that accounts for Compton scattering with a Kompaneets operator. These simulations produced moderately super-Eddington accretion rates onto a 6.62 $M_\odot$ black hole. Since we only achieve inflow equilibrium out to 20-25 gravitational radii, we focus on the hard X-ray emission. We provide a comparison between the MC and RMHD simulations showing that the treatment of Compton scattering in the gray RMHD simulations underestimates the gas temperature in the regions above and below the accretion disk. In contrast, the restarted multi-group snapshots provides a treatment for the radiation field that is more consistent with the MC calculations, and result in post-processed spectra with harder X-ray emission compared to their gray snapshot counterparts. We characterize these MC post-processed spectra using commonly employed phenomenological models used for spectral fitting. We also attempt to fit our MC spectra directly to observations of the ultraluminous X-ray source (ULX) NGC 1313 X-1, finding best fit values that are competitive to phenomenological model fits, indicating that first principle models of super-Eddington accretion may adequately explain the observed hard X-ray spectra in some ULX sources.

研究の動機と目的

• 星質量ブラックホールへの超Eddington降着の3次元非相対論的RMHDシミュレーションから合成X線スペクトルを計算すること。
• コンプトン散乱処理（グレイ対マルチグループ）がシミュレートされたスペクトルおよびガス温度に与える影響を評価すること。
• モンテカルロ後処理スペクトルをULXであるNGC 1313 X-1の観測データと比較すること。
• 第一原理シミュレーションが、現象論的モデルに依存せずにULXで観測される硬X線成分を再現できるかどうかを評価すること。

提案手法

• Athena++の非相対論的RMHDシミュレーションからのスナップショットを、モンテカルロ放射輸送モジュールで後処理すること。
• 初期のシミュレーションで周波数積分された断面積と放射力を使用したグレイ放射輸送アプローチを適用すること。
• コンプトン散乱をより正確にモデル化するため、Kompaneets作用素を用いたマルチグループアプローチで再起動すること。
• ブラックボディ仮定を用いて初期のコンプトン冷却推定値を得るため、モンテカルロ光子輸送によりスペクトルエネルギー分布を計算すること。
• 得られた合成スペクトルを標準的現象論的モデル（例：SIMPL、POW）でフィットし、XMM-NewtonおよびNuSTAR観測と直接比較すること。
• モンテカルロスペクトルからXSPECテーブルモデルを生成し、観測データへの直接フィッティングを可能にすること。

Figure 1: The mass accretion rate $\dot{M}$ as a function of gravitational radius $r_{\rm g}$ from the black hole for each Athena++ RMHD simulation snapshot (see Table 1 ). ULX4a is the dot-dash line, ULX4b is the dashed line, ULX2.5 is the dotted line, and ULX1.3 is the solid line.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グレイ対マルチグループのRMHDシミュレーションにおけるコンプトン散乱の取り扱いが、予測されるX線スペクトルおよびガス温度に与える影響はいかほどか？
• RQ2 3次元RMHDシミュレーションからのモンテカルロ後処理スペクトルは、NGC 1313 X-1のようなULXで観測された硬X線尾部をどの程度再現できるか？
• RQ3 第一原理的超Eddington降着シミュレーションは、スペクトルフィッティングで用いられる現象論的モデルと同等のスペクトルを生成できるか？
• RQ4 現在のシミュレーション設定の限界、特に降着流入の平衡状態および放射場の取り扱いに関して、観測されたULXスペクトルを再現する上でどのような制限があるか？

主な発見

• グレイRMHDシミュレーションでは、降着円盤の上部および下部のホッパー領域におけるガス温度が、ブラックボディ仮定に基づく不正確なコンプトン冷却推定により低く見積もられている。
• Kompaneetsに類似したコンプトン散乱処理を施したマルチグループシミュレーションは、グレイバージョンと比較して、より高い温度と顕著に硬いX線スペクトルを生成する。
• マルチグループスナップショットからのスペクトルは、硬X線バンドでパワー則の勾配Γ ≈ 2–3を示し、NGC 1313 X-1およびHolmberg IX X-1の観測結果と整合的である。
• グレイRMHDスナップショットからのスペクトルフィッティングにおいて、SIMPLモデルはパワー則（POW）モデルよりも硬X線成分に適していることが判明し、Γ ≈ 2–4となった。
• モンテカルロスペクトルをNGC 1313 X-1の観測データに直接フィットした結果、10 keV未満では良好なフィットが得られたが、源の成分によっては硬X線尾部がわずかに傾きがきついまたは平らすぎる傾向があった。
• 最良のフィットで得られた正規化は、観測値よりも低い全放射光度を示しており、一般相対性理論的効果の欠落や流入平衡の不完全性が原因で生じる可能性がある。

Figure 2: Azimuthally averaged gas density $\rho$ (g cm -2 ) of the Athena++ simulation showing the inner 25 $r_{\rm g}$ with a small inset plot that shows the gas density out to 500 $r_{\rm g}$ .