[論文レビュー] The role of Violent Magnetic Reconnection on the Production of the Large Scale Superluminal Ejections of the Microquasar GRS 1915+105

E. M. de Gouveia Dal Pino, A. Lazarian|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2003

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、GRS 1915+105の磁化降着円盤上空のコロナにおける激しい磁気リコネクションが、大規模な光速を超える噴出を生じると提案する。このプロセスは、降着円盤と磁気圏の境界で磁場の再結合を伴い、一次フォーム加速によって粒子を相対論的速さに加速し、観測値と一致するスペクトル指数（Sν ∝ ν⁻⁰.⁷⁵⁻⁰.⁵）を持つシンチロトロン電波放射を生成する。また、X線および電波のフレア状態を説明する。

ABSTRACT

We here propose that the large scale superluminal ejections observed in the galactic microquasar GRS 1915+105 during radio flare events are produced by violent magnetic reconnection episodes in the corona just above the inner edge of the magnetized accretion disk that surrounds the central $\sim 10 M_{\odot}$ black hole. The process occurs when a large scale magnetic field is established by turbulent dynamo in the inner disk region with a ratio between the gas$+$radiation and the magnetic pressures $β\simeq 1$, implying a magnetic field intensity of $\sim 7 imes 10^8$ G. During this process, substantial angular momentum is removed from the disk by the wind generated by the vertical magnetic flux therefore increasing the disk mass accretion to a value near (but below) the critical one ($\dot M \sim 10^{19} $ g s$^{-1}$). Part of the magnetic energy released by reconnection heats the coronal gas ($T_c \lesssim 5 imes 10^8 $ K) that produces a steep, soft X-ray spectrum with luminosity $L_X \simeq 10^{39} $ erg s$^{- 1}$, in consistency with observations. The remaining magnetic energy released goes to accelerate the particles to relativistic velocities ($v \sim v_A \sim c$, where $v_A$ is the Alfvén speed) in the reconnection site through first-order Fermi processes. In this context, two possible mechanisms have been examined which produce power-law electron distributions $N(E) \propto E^{-α_E}$, with $α_E = 5/2, 2$, and corresponding synchrotron radio power-law spectra with spectral indices which are compatible with that observed during the flares ($ S_ν \propto ν^{-0.75, - 0.5}$).

研究の動機と目的

• 微クェザー GRS 1915+105 のフレア状態における大規模な超光速電波噴出の起源を説明すること。
• 降着円盤-コロナ系における磁気リコネクションの役割が、粒子加速およびジェット形成を引き起こすメカニズムを調査すること。
• 観測されたX線および電波スペクトル指数を、粒子加速およびエネルギー放出の理論的モデルと一致させること。
• 激しい磁気リコネクションが、GRS 1915+105 におけるプラトー状態とフレア状態の間の遷移を説明できるかどうかを特定すること。

提案手法

• β ≈ 1 における乱流ダイナモによって生成される大規模磁場を想定し、B ≈ 7×10⁸ G に至る内側の降着円盤-コロナ領域をモデル化する。
• 降着円盤-磁気圏界面で激しい磁気リコネクションをシミュレートし、反平行磁場線がXゾーンで再結合する。
• エネルギー分配を計算：コロナプラズマを加熱する割合（Tc ≈ 5×10⁸ K）は軟X線放射（LX ≈ 10³⁹ erg s⁻¹）を生成するが、残りのエネルギーは粒子を加速する。
• 再結合地点で一次フォーム加速を適用し、指数 N(E) ∝ E⁻⁵/² および N(E) ∝ E⁻² のパワーロー入電子分布を生成する。
• これらの電子分布からシンチロトロン電波スペクトルを導出し、Sν ∝ ν⁻⁰.⁷⁵ および Sν ∝ ν⁻⁰.⁵ を得て、観測されたフレアスペクトル指数と一致させる。
• 回復段階を、準臨界降着および磁場強度の低下を伴うプラトー状態への回復と関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRS 1915+105 の内側の降着円盤-コロナ領域で、フレア状態に伴い大規模な超光速噴出を生じる物理的メカニズムは何か？
• RQ2 降着円盤-磁気圏境界での激しい磁気リコネクションが、粒子加速およびX線／電波放射をどのように引き起こすか？
• RQ3 再結合磁場内での一次フォーム加速によって、観測された電波スペクトル指数（Sν ∝ ν⁻⁰.⁷⁵⁻⁰.⁵）を再現できるか？
• RQ4 磁気風による角運動量輸送が、降着率を臨界値に近づける役割を果たすか？
• RQ5 磁気リコネクションイベント後、システムがフレア状態からプラトー状態にどのように遷移するか？

主な発見

• 降着円盤-磁気圏境界での激しい磁気リコネクションは、観測された軟X線放射（LX ≈ 10³⁹ erg s⁻¹）と一致するコロナプラズマ温度 Tc ≈ 5×10⁸ K を生じる。
• リコネクションプロセスは約 2×10³⁹ erg s⁻¹ の磁気エネルギーを放出し、その大部分が一次フォーム加速によって粒子を相対論的速さ（v ≈ c）に加速する。
• 指数 N(E) ∝ E⁻⁵/² および N(E) ∝ E⁻² のパワーロー入電子分布が生成され、フレア時の観測された電波スペクトル指数（Sν ∝ ν⁻⁰.⁷⁵ および Sν ∝ ν⁻⁰.⁵）と一致する。
• 本モデルは30分周期のX線／電波サイクルおよびプラトー状態（低エネルギー／硬X線）とフレア状態（軟X線、超光速噴出）の間の遷移を説明する。
• 磁気リコネクションは、角運動量を風によって除去し、降着率を ̃10¹⁹ g s⁻¹ まで増加させ、臨界値に近づける。
• 各フレア後、磁場強度が低下し降着率も低下するため、観測されたスペクトル硬化および平坦な電波スペクトルと一致するプラトー状態にシステムは回復する。