[論文レビュー] Very Light Jets I. Axisymmetric Parameter Study and Analytic Approximation

Martin Krause|ArXiv.org|Nov 20, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 28被引用数 51

ひとこと要約

本研究では、密度対比η = 10⁻⁵から10⁻²の非常に軽いジェット（マッハ数2.6～26）について、軸対称な流体力学的シミュレーションを体系的に行い、衝撃波の先端とコッコンの進化に注目する。球状爆発波の段階に対する解析解を導出し、ジェットがr₁までに最大10⁶⁰ ergのエネルギーを環境に転送できることを示し、コンパクト対称的対象物（CSOs）は、先端の急速な進行ゆえに、若い対象であり、密度の高い媒体に閉じ込められてはいないと結論づける。

ABSTRACT

The propagation of extragalactic jets is studied by a series of twelve axisymmetric hydrodynamic simulations. Motivated by observational constraints, but unlike most previous simulations, the regime of jet to external medium density (eta) from 10^-5 to 10^-2 is explored, for Mach numbers (M) between 2.6 and 26. The computational domain contained the bow shocks for the whole simulation time. The bow shocks are found to be spherical at source sizes below a critical value r1 (blastwave phase), which can reach up to 10 jet radii. [...] The numerical work is complemented by an analytic approach for the spherical phase. Extending previous work, the radial force balance could be integrated for arbitrary background density and energy input, which results in a global solution. The analytic results are shown to be consistent with the numerical work, and a lower limit to r1 can be calculated, which falls below the numerical results by a few jet radii. It is shown explicitely how a King density distribution changes the discussed aspects of the bow shock propagation. Because the jet head propagates very fast in the blastwave phase, it turns out that it is not possible to ``frustrate'' a jet by a high density environment. This is very important for the class of small radio galaxies (compact symmetric objects / GHz peaked sources): They have to be young. During its blastwave phase, a powerful jet can transfer typically 10^60 erg to the environmental gas. This is enough to balance the radiative losses in a cooling flow, if one of the cluster galaxies harbours a powerful jet every Gigayear.

研究の動機と目的

• 非常に軽いジェット（η < 10⁻³）の動力学を、これまでのシミュレーションで十分に検討されていない低ジェット-環境密度対比の領域で調査すること。
• 閉じたジェット注入境界と十分に大きな計算領域を用いることで、シミュレーション全期間にわたって衝撃波の先端とコッコンの進化を解像すること。
• ジェット駆動型衝撃波の球状爆発波段階に対する解析モデルを構築・検証すること。これにより、任意の背景密度とエネルギー入力を伴う、先行研究の延長となるものとする。
• サイリウスA（外形比≈1.2、コッコン-衝撃波幅比≈1）からの観測的制約を、特にηとMに注目して、シミュレートされたジェットパラメータと照合すること。
• 密度の高い環境がジェットの進行を妨げられるかどうかを特定すること。特に、コンパクト対称的対象物（CSOs）およびGHzピーク源（GPS）に注目する。

提案手法

• 有限体積法を用いたEuler法による12回の軸対称流体力学的シミュレーションを実施。ジェット注入側に閉じた境界を設け、シミュレーション全期間にわたり衝撃波を含める十分な計算領域を確保する。
• ジェット-環境密度対比（η）を10⁻⁵から10⁻²、内部マッハ数（M）を2.6から26に変化させ、非常に軽いジェット領域を探索する。
• 球状段階において径方向力のバランスを適用し、任意の背景密度とエネルギー入力に対応する運動方程式を統合し、グローバルな解析解を導出する。
• 外部媒体をKing密度プロファイルでモデル化し、それが衝撃波およびコッコンの形状に与える影響を評価する。
• 数値結果と解析解を比較してモデルの妥当性を検証し、球状から細長形に移行する半径r₁の下限を導出する。
• 導出された解析的および数値的結果を用いて、r₁における環境ガスへのエネルギー転送量を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非常に軽いジェット（η < 10⁻³）において、衝撃波の外形比は時間とともにどのように変化するのか。球状から細長形に移行する条件は何か？
• RQ2 密度の高い外部媒体はジェットの進行を妨げられるのか。それとも、爆発波段階においてジェット先端は常に急速に進行するのか？
• RQ3 強力なジェットが半径r₁に達するまでの時点で、周囲の媒体にどれだけのエネルギーを転送するのか。このエネルギーは、銀河団における放射冷却を相殺するのに十分か？
• RQ4 シミュレートされたコッコンおよび衝撃波のサイズは、サイリウスAのチャンドラX線観測とどの程度一致するのか。特に外形比およびコッコン-衝撃波幅比に注目する。
• RQ5 外部密度プロファイル（例：Kingプロファイル）の選択が、球状段階における衝撃波およびコッコンの力学にどの程度影響を与えるのか？

主な発見

• 衝撃波は初期段階（r < r₁）では球状を保ち、衝撃波が亜音速に下がるまでにのみ細長形に移行する。r₁は最大で10個のジェット半径に達する。
• 任意の背景密度とエネルギー入力に対応する径方向力のバランスから導出された球状段階の解析解は、数値シミュレーションと整合しており、数値的値より数個のジェット半径分だけ小さいr₁の下限を提供する。
• 強力なジェットは、r₁に達するまでに最大10⁶⁰ ergのエネルギーを周囲のガスに転送でき、E_gas = 10⁶⁰ erg × (L/10⁴⁶ erg/s)^1.5 × (v_j/c/3)^-2.5 × (η/10⁻⁴)^-1.25 × (n₀/0.1 cm⁻³)^-0.5 として計算される。
• このエネルギー転送量は、銀河団における放射冷却を相殺するのに十分であり、10⁹年ごと程度に1回のジェット発生で、観測されたkeVレベルの温度を維持可能であると考えられる。
• コッコン-外部媒体界面におけるK-H不安定性は普遍的であり、圧縮ガスを捕捉・加速する原因となり、X線または発光ライン特徴の駆動要因である可能性が強い。
• コンパクト対称的対象物（CSOs）およびGHzピーク源は、ジェット先端が極めて速く進行する（例：密度の高いISMで1 kpcを横断するのに約0.3 Myr）ため、0.3 Myr未満の若年対象であり、極端な場合でさえもそれ以上に古いことはあり得ない。