[논문 리뷰] Acceleration of wind in optically thin and thick black hole accretion disks simulated in general relativity

Anton Moller, Aleksander Sądowski|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 22.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 일반 상대성 이론을 적용한 자기유체역학적 시뮬레이션을 사용하여 광학적으로 얇고 두꺼운 블랙홀 순환원반에서의 바람 가속 메커니즘을 분석한다. 연구 결과, 가속은 간헐적인 것으로 나타났으며, 두꺼운 원반에서는 복사압력이 지배적이고, 얇은 원반에서는 자기력 및 열력이 지배적임을 확인하였다. 또한 블랙홀 근처 및 자기장이 강한 영역에서는 뉴턴역학적 힘 근사가 실패함을 밝혔다.

ABSTRACT

We study the force balance and resulting acceleration of gas in general relativity basing on simulations of accretion on a stellar-mass, non-rotating black hole. We compare properties of acceleration in an optically thin, radiatively inefficient disk, and in an optically thick, super-critical disk accreting at 10 times the Eddington rate. We study both the average forces acting at given location and forces acting on a gas parcel along its trajectory. We show that the acceleration is not a continuous process - in most cases gas is accelerated only in short-lasting episodes. We find that in the case of optically thin disks gas is pushed out by magnetic field in the polar region and by thermal pressure and centrifugal force below the disk surface. In case of optically thick, radiative accretion, it is the radiation pressure which accelerates the gas in the polar funnel and which compensates (together with the centrifugal force) the gravity in the bulk of the disk. We also show that the Newtonian formulae for the forces are inadequate in the innermost and in the highly magnetized regions.

연구 동기 및 목표

• 비회전성 별질량 블랙홀 주위의 일반 상대성 이론 기반 순환원반에서 기체 분출을 이끄는 힘의 균형을 이해하기 위해.
• 복사 효율이 낮은(광학적으로 얇은) 및 초임계(광학적으로 두꺼운) 순환 영역에서의 가속 메커니즘을 비교하기 위해.
• 강한 중력장 및 고자기장 영역에서 뉴턴역학적 힘 근사의 타당성을 평가하기 위해.
• 궤적 기반의 힘 분해를 통해 자기중심력, 열력, 복사압력 기반 분출을 구분하기 위해.
• 광학적으로 얇고 두꺼운 원반 모두에서 동일한 계산 프레임워크 내에서 가속 메커니즘을 직접 비교하기 위해.

제안 방법

• 비회전성 블랙홀에 대해 약한, 포화되지 않은 자기장이 있는 경우를 대상으로 KORAL 코드를 사용해 일반 상대성 이론 기반 복사 자기유체역학적(GRRMHD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 시뮬레이션 동안 기체 요소의 궤적을 추적하여 작용하는 힘을 분석함으로써 일시적인 가속 사건을 해결할 수 있었다.
• 총 힘을 중력, 기울기 압력력, 자기력, 복사압력, 상대론적 수정 항으로 분해하였다.
• 두 모델 간 비교를 위해 광학적으로 얇고 복사 효율이 낮은 원반과 광학적으로 두껍고 초임계 원반(에디링턴 비율의 10배로 순환)을 대조하였다.
• 일반 상대성 이론 수정 항이 힘 균형에 기여하는 정도를 분리하기 위해 상대론적 힘 분해 형식(Eq. 24)을 사용하였다.
• 궤적 기반 힘 분석 결과와 공간 평균 힘 데이터를 비교하여 가속의 시간적 변동성을 평가함으로써 결과의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반 상대성 이론에서 광학적으로 얇고 복사 효율이 낮은 순환원반에서 기체를 가속화하는 데 주로 기여하는 힘은 무엇인가?
• RQ2 광학적으로 두껍고 초임계 원반에서 복사압력은 자기력 및 열력에 비해 바람 가속에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 뉴턴역학적 힘 공식이 깨지는 영역는 어디이며, 상대론적 수정 항이 힘 균형에 얼마나 중요한가?
• RQ4 바람 가속은 연속적인 과정인가, 아니면 짧고 일시적인 사건으로 발생하는가? 이는 원반 유형에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 극 방향의 분출통과 원반 중앙면에서 자기력, 열력, 복사압력의 상대적 기여는 어떻게 다를까?

주요 결과

• 기체 가속은 주로 간헐적인 것으로 나타났으며, 복사 원반의 극 방향에서는 복사압력이 연속적인 분출을 이끌지만, 나머지 영역에서는 몇 차례 짧은 가속 사건 외에는 거의 관찰되지 않았다.
• 광학적으로 얇은 원반에서는 극 영역의 가속이 주로 자기력에 의해 이루어지며, 속도는 약 ~0.1c에 도달한다. 반면 원반 중앙면에서는 열압력과 원심력이 주요 원동력이다.
• 광학적으로 두껍고 초임계 원반에서는 극 방향의 분출통에서 복사압력이 지배적이며, 기체 속도는 0.4c를 초월한다. 또한 원반 본질의 중력과의 균형을 이루는 주요 힘으로도 복사압력이 작용한다.
• 자기력은 두 원반 유형 모두에서 가장 극에 가까운 영역에서만 뚜렷한 기여를 하며, 자기중심력 가속이 바로 극점 주변 제트 영역 외에는 주요 원동력이 아님을 시사한다.
• 블랙홀 근처 및 강한 자기장 영역에서는 일반 상대성 이론의 힘 방정식 수정 항이 상당히 기여하므로, 이러한 영역에서는 뉴턴역학적 근사가 부적절하다.
• 궤적 기반의 힘 분석은 비균일하고 시간에 따라 변하는 가속의 특성을 파악하는 데 필수적이며, 공간 평균 힘 데이터는 일시적인 가속 사건을 가리므로 이를 가려낸다.