[논문 리뷰] 3D Radiation Hydrodynamic Simulations of Gravitational Instability in AGN Accretion Disks: Effects of Radiation Pressure

Yi-Xian Chen, Yan-Fei Jiang외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 21.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 광학적으로 두꺼운 AGN 순환원판에서 중력불안정성(GI)을 연구하기 위해 3차원 복사유체역학적 비틀림 상자 시뮬레이션을 사용하며, 복사압이 붕괴를 위한 임계 냉각시간에 어떻게 영향을 주는지에 초점을 맞춘다. 연구 결과 복사압은 붕괴 임계값을 극적으로 감소시키며, 완전히 복사압에 의해 지배되는 원판은 냉각시간 $ olimits_{ ext{cool}} \lesssim 50$에서 붕괴되며, 이는 최대 난류 수준 $ olimits \lesssim 0.02$에 해당하며 MRI에 의해 유도되는 난류 수준과 유사하다.

ABSTRACT

We perform 3D radiation hydrodynamic local shearing box simulations to study the outcome of gravitational instability (GI) in optically thick Active Galactic Nuclei (AGN) accretion disks. GI develops when the Toomre parameter QT \leq 1, and may lead to turbulent heating that balances radiative cooling. However, when radiative cooling is too efficient, the disk may undergo runaway gravitational fragmentation. In the fully gas-pressure-dominated case, we confirm the classical result that such a thermal balance holds when the Shakura-Sunyaev viscosity parameter (alpha) due to the gravitationally-driven turbulence is \sim 0.2, corresponding to dimensionless cooling times Omega tcool \sim 5. As the fraction of support by radiation pressure increases, the disk becomes more prone to fragmentation, with a reduced (increased) critical value of alpha (omega tcool). The effect is already significant when the radiation pressure exceeds 10% of the gas pressure, while fully radiation-pressure-dominated disks fragment at Omega tcool <50 . The latter translates to a maximum turbulence level alpha<0.02, comparable to that generated by Magnetorotational Instability (MRI). Our results suggest that gravitationally unstable (QT \sim 1) outer regions of AGN disks with significant radiation pressure (likely for high/near- Eddington accretion rates) should always fragment into stars, and perhaps black holes.

연구 동기 및 목표

• AGN 순환원판에서 복사압이 중력불안정성(GI)의 임계 냉각시간에 어떻게 영향을 주는지 이해하기.
• 특히 고-Eddington 순환률 영역에서 복사압 비율이 다양할 경우 디스크 붕괴의 임계 조건을 규명하기.
• 중력적으로 불안정한 AGN 원판의 외곽 영역이 별이나 블랙홀로 붕괴되어야 할지 아니면 안정적으로 유지될 수 있을지 평가하기.
• 자기중력 원판에서 중력 가열과 복사 냉각의 균형을 어떻게 복사압이 변화시키는지 정량화하기.
• 자기일관된 복사 전달을 포함한 고해상도 3차원 복사유체역학적 시뮬레이션을 통해 이전의 분석 모델을 검증하고 확장하기.

제안 방법

• AGN 순환원판의 난류 역학을 캡처하기 위해 국소적 비틀림 상자 모델을 사용한 3차원 복사유체역학적 시뮬레이션 수행.
• 원판 전반에 걸쳐 일정 비율 $\Pi = P_{\rm rad}/P_{\rm gas}$을 갖는 자기일관성 있는 복사압 모델을 구현하여 광학적으로 두꺼운 조건를 시뮬레이션.
• 복사압에 의해 지배되는 원판에 대해 다이아몬드 상태방정식 $P \propto \rho^{4/3}$를 사용하며, 이는 일정한 $\Pi$와 수직 방향 수직 평형을 가정하여 유도됨.
• 분석적 해법(Jiang \& Goodman, 2011)을 사용해 $Q$, $\Sigma$, 및 $\rho_0$로 매개변수화된 수직으로 분포된 밀도 및 압력 프로파일을 초기 조건으로 설정.
• 광학적으로 얇은 냉각 영역을 초과하는 위치($|z| \gtrsim \mathcal{H}$)에서 복사 플럭스 $F_z$ 및 에너지 밀도를 자동으로 계산하며, 광학적으로 두꺼운 조건를 가정.
• 복사 냉각, 중력일, 난류 가열을 포함한 전체 에너지 방정식을 통해 안정성과 붕괴 여부를 평가하기 위해 시스템을 진화시킴.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복사압 비율을 증가시킬 경우 AGN 원판에서 중력불안정성의 임계 냉각시간 $ olimits_{ ext{cool}}$에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 복사압에 의해 지배되는 원판에서 붕괴가 피할 수 없는 수준에 도달하는 $ olimits_{ ext{cool}}$의 값은 얼마인가?
• RQ3 복사압이 존재할 경우 기체압에 의해 지배되는 원판보다 GI 붕괴 임계값이 낮아지는가?
• RQ4 완전히 복사압에 의해 지배되는 원판에서 붕괴가 발생하기 전까지 유지 가능한 최대 난류 수준 $ olimits$는 얼마인가?
• RQ5 고순환률을 가진 AGN 원판의 중력적으로 불안정한 외곽 영역은 안정적으로 유지될 수 있는가, 아니면 반드시 별 형성에 기여하는가?

주요 결과

• 기체압에 의해 지배되는 원판에서는 $\alpha \lesssim 0.2$일 때 열적 균형이 유지되며, 이는 냉각시간 $ olimits_{ ext{cool}} \gtrsim 5$와 일치하며 고전적 이론과 일치한다.
• 복사압이 기체압의 10%를 초과할 경우 붕괴에 대한 임계 $ olimits$는 크게 감소하여 붕괴에 더 민감해짐을 시사한다.
• 완전히 복사압에 의해 지배되는 원판에서는 $ olimits_{ ext{cool}} \lesssim 50$에서 붕괴가 발생하며, 이는 최대 난류 수준 $ olimits \lesssim 0.02$에 해당한다.
• 이 $ olimits \lesssim 0.02$ 임계값은 MRI에 의해 생성되는 난류 수준과 유사하므로, GI에 의해 유도되는 난류는 이러한 원판에서 자기를 유지할 수 없다는 것을 시사한다.
• 따라서 $Q_T \sim 1$이고 고순환률(근접-Eddington)을 가진 AGN 원판의 중력적으로 불안정한 외곽 영역은 별이나 블랙홀로 붕괴될 것으로 예상된다.
• 시뮬레이션 결과 복사압은 효과적인 등온계수를 $4/3$으로 증가시켜, 기체압에 의해 지배되는 원판보다 붕괴에 더 취약하게 만든다.