[논문 리뷰] A Simulation Study of Ultra-relativistic Jets -- II. Structures and Dynamics of FR-II Jets

Jeongbhin Seo, Hyesung Kang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 08.

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한 줄 요약

이 연구는 FR-II 전파 은하의 초상대론적 제트를 연구하기 위해 고차수 WENO 스킴과 현실적인 상태방정식을 사용한 3차원 상대론적 유체역학 시뮬레이션을 수행한다. 결과적으로 제트의 출력이 주로 형태를 결정하며, 높은 출력 제트는 길쭉한 코코넛을 형성하고, 낮은 출력 제트는 넓고 난류적인 코코넛을 형성한다. 충격과 난류 소산은 특히 후류 영역에서 두드러지며, 초고에너지 우주선의 다수의 가속 메커니즘을 시사한다.

ABSTRACT

We study the structures of ultra-relativistic jets injected into the intracluster medium (ICM) and the associated flow dynamics, such as shocks, velocity shear, and turbulence, through three-dimensional relativistic hydrodynamic (RHD) simulations. To that end, we have developed a high-order accurate RHD code, equipped with a weighted essentially non-oscillatory (WENO) scheme and a realistic equation of state (Seo et al. 2021, Paper I). Using the code, we explore a set of jet models with the parameters relevant to FR-II radio galaxies. We confirm that the overall jet morphology is primarily determined by the jet power, and the jet-to-background density and pressure ratios play secondary roles. Jets with higher powers propagate faster, resulting in more elongated structures, while those with lower powers produce more extended cocoons. Shear interfaces in the jet are dynamically unstable, and hence, chaotic structures with shocks and turbulence develop. We find that the fraction of the jet-injected energy dissipated through shocks and turbulence is greater in less powerful jets, although the actual amount of the dissipated energy is larger in more powerful jets. In lower power jets, the backflow is dominant in the energy dissipation owing to the broad cocoon filled with shocks and turbulence. In higher power jets, by contrast, both the backflow and jet spine flow are important for the energy dissipation. Our results imply that different mechanisms, such as diffusive shock acceleration, shear acceleration, and stochastic turbulent acceleration, may be involved in the production of ultra-high energy cosmic rays in FR-II radio galaxies.

연구 동기 및 목표

• 초상대론적 제트의 구조적 및 운동적 성질을 이해하고, 특히 충격, 속도 기울기, 난류의 역할을 규명한다.
• 다양한 제트 영역과 제트 출력 영역에서 충격과 난류 소산 메커니즘의 에너지 소산을 정량화한다.
• FR-II 환경에서 초고에너지 우주선(UHECR)의 다수의 입자 가속 메커니즘(예: 확산 충격 가속, 기울기 가속, 난류 가속)의 타당성을 평가한다.
• 최근 개발된 고차수 RHD 코드의 성능과 정확도를 WENO 및 SSPRK 스킴을 사용하여 검증한다.
• 제트의 배경 밀도 및 압력 비율과 같은 보조 매개변수의 영향을 제트 형태와 에너지 소산에 대해 분석한다.

제안 방법

• 고정밀도와 안정성을 확보하기 위해 5차수 유한차분 WENO 공간 재구성과 4차수 SSPRK 시간 적분을 사용한 3차원 상대론적 유체역학(RHD) 코드를 적용하였다.
• 제트와 은하간 매질(ICM) 간의 인터페이스에서 열역학을 정확하게 모델링하기 위해 상대론적 상태방정식(RC-EOS)을 사용하였다.
• FR-II 관련 매개변수를 중심으로 제트 출력(Qj), 제트-배경 밀도 비율(η), 압력 비율(ζ)을 변화시킨 제트 모델의 세트를 시뮬레이션하였다.
• 충격 특성은 마하 수(Ms) 분포와 충격 표면 형태를 통해 정량화하였으며, 속도 기울기는 ∂vz/∂r 및 상대론적 기울기 계수 Sr을 사용해 분석하였다.
• 난류는 비틀림(Ωt 및 Ω−)과 파워 스펙트럼 밀도(Pv(k) ∝ k−5/3)를 측정하여 확인하였으며, 콜모고로프 스케일링을 확인하였다.
• 충격 및 난류 소산의 정규화된 에너지 소산률인 Lshock,tot/Qj 및 Lturb,tot/Qj를 계산하여 다양한 모델 간의 충격 및 난류 소산을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제트 출력(Qj)이 ICM 내 초상대론적 FR-II 제트의 전체 형태와 추진 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 충격과 난류가 제트 운동 에너지 소산에 기여하는 비율은 어떻게 되며, 이는 제트 출력에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 제트의 어떤 영역—제트 중심부, 후류, 또는 충격을 받은 ICM—에서 충격과 속도 기울기가 가장 강하게 나타나며, 그 특성 마하 수와 기울기 계수는 각각 얼마인가?
• RQ4 제트에 의한 코코넛의 다양한 영역에서 난류와 비틀림 분포는 어떻게 변화하며, 이들의 입자 가속에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ5 충격 및 난류 소산률이 제트 출력에 따라 어떻게 척도가 맞는가? 또한 η 및 ζ와 같은 보조 매개변수에 민감한가?

주요 결과

• 제트 출력(Qj)은 제트 형태를 결정하는 주요 매개변수이다: 높은 Qj는 더 빠른 추진과 더 길쭉한 코코넛을 유도하며, 낮은 Qj는 더 넓고 난류적인 코코넛을 형성한다.
• 낮은 출력 제트에서 충격과 난류를 통한 에너지 소산 비율은 높은 출력 제트보다 높다(Lshock,tot/Qj ≈ 0.5–1.0 for Q45, 0.45–0.8 for Q46); 그러나 총 소산 에너지는 높은 출력 제트에서 더 크다(Lshock,tot/Qj ≈ 0.1–0.15 for Q47).
• 낮은 출력 제트(Q45, Q46)에서는 후류 영역이 충격과 난류 소산의 주요 기여 영역이며, 높은 출력 제트(Q47)에서는 후류와 제트 중심부가 모두 중요한 기여를 한다.
• 난류 소산(Lturb,tot/Qj)은 Q45 및 Q46 모델에서 후류 영역에서 가장 높으며, 각각 약 ~0.65 및 ~0.25이며, Q47 모델에서는 충격 소산과 유사한 수준(~0.07)에 도달한다.
• 버드 샤프트 영역의 충격 마하 수(Ms)는 약 3에서 13 사이이며, Qj가 증가함에 따라 증가한다; 난류 흐름에서는 Ms 분포가 거듭제곱 법칙을 따르며, 제트 중심부에서는 Ms ≲5, 후류에서는 Ms ≲2이다.
• 상대론적 기울기 계수 Sr은 제트 중심부에서 약 ∼0.1–0.2, 후류에서는 ∼10−3–10−2에 도달하여, 우주선의 점진적 및 이산적 기울기 가속의 잠재력이 크다는 것을 시사한다.