[논문 리뷰] Accretion and ejection in Sgr A*

Ye‐Fei Yuan|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 16.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 은하중심초력점 Sgr A*의 플레어가 태양의 코로나 질량 방출(CME)과 유사한 자기유체역학(MHD) 메커니즘을 통해 간헐적인 전파 방출 플라즈마 뿌리의 방출에 의해 발생한다고 제안한다. 이 모델은 전파와 고에너지 피크 사이의 관측된 시간 지연을 연계하여 방출, 자기재결합, 동기방출/가속된 방출을 연결함으로써 다중파장 플레어를 설명하며, 저광도 블랙홀에서의 간헐적 제트를 위한 통합된 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

We review our current understanding to the accretion and ejection processes in Sgr A*. Roughly speaking, they correspond to the quiescent and flare states of the source respectively. The high-resolution {\it Chandra} observations to the gas at the Bondi radius combined with the Bondi accretion theory, the spectral energy distribution from radio to X-ray, and the radio polarization provide us strict constraints and abundant information to the theory of accretion. We review these observational results and describe how the advection-dominated accretion flow model explains these observations. Recently more attentions have been paid to flares in Sgr A*. Many simultaneous multi-wavelength campaigns have been conducted, aiming at uncovering the nature of flares. The main observational properties of flares are briefly reviewed. Especially, the time lag between the peaks of flare at two radio frequencies strongly indicates that the flare is associated with ejection of radio-emitting blobs from the underlying accretion flow. Such kind of episodic jets is distinctive from the continuous jets and are quite common in black hole systems. We introduce the magnetohydrodynamical model for the formation of episodic jets recently proposed based on the analogy with the theory of coronal mass ejection in the Sun. We point out that the various observational appearances of flares should be explained in the framework of this model, since ejection and flare originate from the same physical process.

연구 동기 및 목표

• 고정된 질량 축적률, 온도, 그리고 볼디 반경에서의 밀도에 대한 관측 제약 조건을 만족시키는 광학적 효율이 낮은 축적류 모형(ADAF)을 사용하여 Sgr A*의 침체 상태를 설명하는 것.
• 특히 전파와 고에너지 피크 사이의 시간 지연을 포함한 다중파장 플레어의 물리적 기원을 조사하는 것. 이는 압축된 플라즈마 뿌리의 간헐적 방출을 시사한다.
• 태양의 코로나 질량 방출(CME)에 영감을 얻은 MHD 모형을 개발하고 적용하여 간헐적 제트 형성의 메커니즘을 설명하는 것.
• 플레어를 별개의 현상이 아니라 동일한 물리적 과정의 표현으로 통합적으로 해석하는 것.
• 스펙트럼 에너지 분포, 편광, 시간 해상도가 높은 광도 곡선 등의 다중파장 관측 결과를 하나의 일관된 프레임워크 안에서 설명하는 것.

제안 방법

• Chанд라의 고해상도 관측을 사용하여 볼디 반경(~0.04 pc)에서 기체 밀도(~100 cm⁻³)와 온도(~2 keV)를 제약 조건으로 설정함으로써 축적 모형의 외부 경계 조건을 제공한다.
• 저방출 효율(η ~ 10⁻⁶)과 Sgr A*의 전파에서 X선 대역까지의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 설명하기 위해 광학적 효율이 낮은 축적류(ADAF) 모형을 적용한다.
• 동시 다중파장 캠페인을 분석하여 전파와 고에너지 플레어 피크 사이의 시간 지연을 규명함으로써, 전파 플레어가 X선/적외선 플레어보다 지연되는 것은 뿌리의 전파 지연을 시사한다.
• 태양 CME 이론에 기반한 간헐적 제트 형성의 MHD 모형을 도입: 축적류의 코로나에서 재결합을 통해 자기 플럭스 로프가 형성되고, 자기 탄성 감소로 인해 방출된다.
• 뿌리 방출 역학을 시뮬레이션하여 뿌리의 이동 속도가 빛의 도달 시간 척도(~r_g에서 약 20 s)와 일치함을 보이며, 뿌리와 충격파 전면에서의 동기방출 방출을 예측한다.
• 이완된 자기장이 지배하는 침체 상태의 ADAF와 대비하여, 방출된 뿌리 내부의 질서 정렬된 자기장으로 인해 고주파 전파 대역에서 높은 선형 편광(2–10%)을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학적 효율이 낮은 축적류(ADAF) 모형은 Sgr A*의 관측된 저광도와 스펙트럼 에너지 분포를 어떻게 설명하는가?
• RQ2 Sgr A* 플레어 동안 서로 다른 전파 주파수에서의 플레어 피크 사이의 시간 지연은 무엇을 의미하는가? 이는 방출 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 Sgr A* 플레어 기간 동안 관측된 압축된 플라즈마 뿌리의 간헐적 방출을 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 Sgr A* 플레어의 관측된 편광 특성은 방출 과정의 자기장 구조에 의해 어떻게 설명될 수 있는가?
• RQ5 Sgr A*의 간헐적 제트 형성은 어느 정도까지 태양의 코로나 질량 방출(CME)에 비유하여 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• Sgr A*의 볼디 축적률은 약 ~10⁻⁵ M☉ yr⁻¹로 추정되며, Chandra 관측과 3차원 시뮬레이션과 일치하여 강력한 외부 경계 조건을 제공한다.
• Sgr A*의 침체 상태 스펙트럼 에너지 분포(SED)는 밀도가 낮고, 밀리미터파 뾰족함과 파wer 레인지 전파 스펙트럼을 가지며, 이는 광학적 효율이 낮은 ADAF 모형에 의해 자연스럽게 설명된다(η ~ 10⁻⁶).
• 다른 주파수에서의 전파 플레어 피크 사이의 약 30분의 시간 지연은 전파 방출이 정적 핫스팟이 아니라 이동 중인 방출된 뿌리에서 유래함을 시사한다.
• 태양 CME 이론에 영감을 얻은 간헐적 제트 형성의 MHD 모형은 플럭스 로프의 진화와 자기재결합을 통해 뿌리 형성을 설명하며, 약 20초의 시간 스케일에서 고속 방출(v ~ c/10)을 이끈다.
• 방출된 뿌리와 그 앞의 충격파에서의 동기방출은 전파 및 밀리미터파 플레어를 설명하며, 전류판면에서 가속된 전자는 적외선 및 X선 플레어를 생성한다.
• 방출된 플라즈마 내부의 질서 정렬된 자기장으로 인해 고주파 전파 대역에서 높은 선형 편광(2–10%)을 예측한다. 이는 침체 상태의 불규칙한 자기장이 지배하는 ADAF 상태와 대비된다.