[논문 리뷰] 1/2, 1, and 3/2--Law Non-Radiative Accretion Flows

Andrei Gruzinov|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 22.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀 주위의 비방사적 질량 집적 흐름이 밀도 프로파일이 $\rho \propto r^{-p}$로 스케일링되는 세 가지 자기유사 해를 가질 수 있다고 제안한다. 여기서 $p = 1/2$, $1$, 또는 $3/2$이다. $p=1$ 해는 난류 프란틀 제트의 집합으로 해석될 수 있으며, 이는 수치 시뮬레이션에서 $p \approx 1$을 보여주므로, 운동량 통량 보존 덕분에 충돌성 플라즈마에서도 이러한 흐름이 지속될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Assuming self-similarity of the first kind, we get three possible values p=1/2, 1, 3/2 for the exponent describing the density profile, rho r^{-p}, of a non-radiative (and hence quasi-spherical) accretion flow. The high and low p cases are known as Bondi and Convection-Dominated accretion flows. The 1-law flow we tentatively identify with the so-called Magnetically-Frustrated accretion flow. If our interpretation is correct, the accretion flow must be, roughly speaking, a collection of Prandtl's turbulent jets. The 1-law flow, being a first-kind self-similar solution, may actually occur in nature (in collisionless plasma).

연구 동기 및 목표

• 블랙홀 주위의 비방사적 질량 집적 흐름에 대해 물리적으로 타당한 자기유사 해를 규명하는 것.
• 이론적 본디 $p=3/2$ 예측과 수치 시뮬레이션에서 관측된 $p \approx 1$ 간의 괴리 문제를 해결하는 것.
• $p=1$ 해가 자기장으로 인해 억제되거나 난류 제트 흐름으로 해석될 경우, 충돌성 플라즈마에서도 유지될 수 있는지 탐색하는 것.
• 첫 번째 유형의 자기유사성의 역할이 가능한 질량 집적 흐름 프로파일을 제약하는 데 기여하는 방식을 평가하는 것.
• 비이상적 플라즈마 조건에서도 파نغ2010의 시뮬레이션에서 관측된 $p \approx 1$을 설명할 수 있는가를 평가하는 것.

제안 방법

• 첫 번째 유형의 자기유사성 가정을 통해 모든 물리량이 반경 $r$에 대해 $r^{-1/2}$ 비율로 스케일링되며, 이는 밀도, 속도, 통량에 대한 거듭제곱 법칙 해를 이끌어낸다.
• 질량 통량 $\Phi \propto r^{3/2-p}$, 운동량 통량 $F \propto r^{1-p}$, 에너지 통량 $L \propto r^{1/2-p}$의 스케일링 법칙을 유도하며, 이는 $p$의 가능한 값들을 제약한다.
• 통량이 자기유사 스케일링 하에서 일관되게 유지되도록 요구함으로써, $p = 1/2$, $1$, 또는 $3/2$의 세 가지 가능한 $p$ 값이 도출된다.
• $p=1$ 해는 배경 플라즈마를 끌여들여 운동량을 전달함으로써 일정한 운동량 통량을 유지하는 난류 제트의 집합으로 해석된다.
• 통량 보존과 엔트로피 고려를 통해 자기장 에너지 축적으로 인해 엔트로피와 에너지 제약을 위반하므로, 비방사성 충돌성 플라즈마에서는 $p=3/2$ (본디) 해가 배제된다.
• 파نغ2010 등 관측된 시뮬레이션과 $p=1$ 해를 비교하여, 이는 물리적으로 타당하고 자기일관성 있는 질량 집적 모드일 수 있음을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기유사적 비방사 질량 집적 흐름에서 밀도 프로파일 지수 $p$의 물리적으로 허용 가능한 값은 무엇인가?
• RQ2 표준 이론이 $p=3/2$를 예측하는 데 반해, 수치 시뮬레이션(예: 파نغ2010)에서 $p \approx 1$을 관측하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 $p=1$ 해가 난류 제트 시스템으로 해석될 경우, 충돌성 플라즈마에서도 안정적이고 자기일관성 있게 유지될 수 있는가?
• RQ4 스파aghetti화에 의한 자기장 강화가 비방사 흐름에서 표준 본디 $p=3/2$ 해를 배제하는 방식은 무엇인가?
• RQ5 $p=1$ 해는 첫 번째 유형의 자기유사 해인지, 아니면 두 번째 유형인지이며, 이는 실제 천체물리계에서의 탄력성에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• $p=1$ 해는 운동량 통량이 일정($F=\text{const}$), 질량 통량이 0($\Phi=0$), 에너지 통량이 0($L=0$)인 유효한 첫 번째 유형의 자기유사 해이다.
• $p=1$ 흐름은 배경 플라즈마를 끌여들여 운동량을 전달함으로써 일정한 운동량 통량을 유지하는 프란틀 유형의 난류 제트 집합으로 해석된다.
• $p=1$ 해는 파نغ2010의 시뮬레이션에서 관측된 $p \approx 1$ 결과를 설명할 수 있으며, 물리적으로 타당하다는 것을 시사한다.
• $p=3/2$ (본디) 해는 통량 증폭에 의한 자기장 에너지 축적으로 인해 비방사 흐름에서 배제되며, 이는 엔트로피와 에너지 제약을 위반하기 때문이다.
• $p=1/2$ 해는 대체로 질량 집적되지 않는 대류 불안정한 대기 상태를 나타내지만, 직접적인 수치 시뮬레이션에서 지지되지 않는다.
• $p=1$ 해가 첫 번째 유형의 해임이 확인된다면, 두 번째 유형 해들과 달리 충돌성 플라즈마에서도 유지될 수 있으며, 이는 실제 천체물리계에서의 탄력성에 유리하다.