[논문 리뷰] Effects of radiative losses on the relativistic jets of high-mass microquasars

A. Charlet, R. Walder외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 15.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 146인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고질량 마이크로쿼서스인 시리우스 X-1과 시리우스 X-3를 중심으로, 매개변수화된 복사 냉각을 포함한 3차원 상대론적 유체역학 시뮬레이션을 사용하여 제트 역학을 조사한다. 복사 손실은 특히 시리우스 X-3에서 켈빈-헬름홀츠 불안정성의 발달을 가속화하고 코코너 확장 방식을 변화시켜 제트 구조와 불안정성 성장에 중대한 영향을 미치지만, 시리우스 X-1에서는 냉각이 약하기 때문에 영향이 미미하다.

ABSTRACT

Context. Relativistic jets are ubiquitous in astrophysics. High Mass Microquasars (HMMQs) are useful labs to study such jets, as they are relatively close and evolve over observable time scales. The ambient medium into which the jet propagates is, however, far from homogeneous. Corresponding simulation studies to date consider various forms of a wind-shaped ambient medium but typically neglect radiative cooling and relativistic effects. Aims. We investigate the dynamical and structural effects of radiative losses and system parameters on relativistic jets in HMMQs, from the jet launch to its propagation over several tens of orbital separations. Methods. We use 3D relativistic hydrodynamical simulations including parameterized radiative cooling derived from relativistic thermal plasma distribution to carry out parameter studies around two fiducial cases inspired by Cygnus X-1 and Cygnus X-3. Results. Radiative losses are found to be more relevant in Cygnus X-3 than Cygnus X-1. Varying jet power, jet temperature, or the wind of the donor star tends to have a larger impact at early times, when the jet forms and instabilities initially develop, than at later times when the jet has reached a turbulent state. Conclusions. Radiative losses may be dynamically and structurally relevant at least in Cygnus X-3 case, and thus should be examined in more detail.

연구 동기 및 목표

• 고질량 마이크로쿼서스의 상대론적 제트에 대한 복사 냉각의 역학적 및 구조적 영향을 조사하기 위해.
• 제트의 출력, 온도, 기여성 항성 바람 매개변수의 변화가 수십 개의 궤도 분리 기간 동안 제트 진화에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 시리우스 X-1과 시리우스 X-3와 같은 HMMQ에서 복사 손실이 역학적으로 중요한가를 판단하기 위해.
• 물리적 매개변수가 상이한 두 기준 HMMQ 시스템에서 냉각이 제트 불안정성 성장과 구조적 진화에 미치는 영향을 비교하기 위해.
• 복사 냉각이 중요한 경우, 단열 시뮬레이션으로 HMMQ의 제트 방출 및 역학을 정확히 재현할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 특수 상대론적 유체역학(SRHD) 방정식를 사용한 3차원 상대론적 유체역학 시뮬레이션으로, 보존 변수와 유량을 사용한다.
• 주로 자유-자유 복사에 의해 기인하는 상대론적 맥스웰-줄트너 전자 분포를 기반으로 한 매개변수화된 복사 냉각을 통합한다.
• 제트 물질(J=1)과 주변 매질(J=0)을 구분하고 물질 진화를 추적하기 위해 피아스 트레이서를 사용한다.
• 시리우스 X-1과 시리우스 X-3의 시스템 매개변수를 기반으로 제트 출력, 빔 온도, 항성 바람 밀도를 변화시킨 파라미터 스터디를 수행한다.
• 제트의 20~75개 궤도 분리 기간 동안의 전파를 시뮬레이션하여 초기 불안정성 성장과 난류 상태로의 전이를 관찰할 수 있도록 한다.
• 약간 상대론적인 제트에 대해 일정한 단열지수 Γ = 5/3를 적용하였으며, 1차원 비교에서 Γ = 4/3와의 일치성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고질량 마이크로쿼서스의 상대론적 제트에서 복사 손실은 켈빈-헬름홀츠 불안정성의 성장률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 바람과 복사 강도 특성이 상이한 시리우스 X-1과 시리우스 X-3에서 복사 냉각의 상대적 중요성은 무엇인가?
• RQ3 제트 출력, 빔 온도, 항성 바람 밀도의 변화는 초기 제트 진화와 불안정성 발달에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 복사 냉각은 외부 코코너 대 내부 코코너의 부피 비율과 빔의 시간적 진화에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 복사 냉각이 중요한 경우, 단열 시뮬레이션은 제트 역학과 구조를 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 강한 항성 바람, 높은 복사 강도, 짧은 궤도 간격으로 인해 복사 냉각은 시리우스 X-3에서는 역학적·구조적으로 중요하지만, 시리우스 X-1에서는 그렇지 않다.
• 냉각은 켈빈-헬름홀츠 불안정성의 성장률을 증가시켜 빔 붕괴와 코코너 확장을 가속화한다.
• 시리우스 X-3에서는 복사 손실이 외부 코코너 대 내부 코코너의 부피 비율을 감소시켜 제트 형태와 에너지 분포를 변화시킨다.
• 냉각이 작용할 경우 빔 부피는 다른 비율 시간 의존성(거듭제곱 법칙)을 보이며, 이는 제트 구조의 근본적 변화를 시사한다.
• 제트 출력과 바람 매개변수에 대한 민감도는 불안정성 발생 초기에 가장 두드러지며, 난류 단계에서는 감소한다.
• 복사 냉각이 중요한 시스템, 특히 강한 냉각을 보이는 시리우스 X-3의 경우, 복사 냉각을 고려하지 않은 후처리 시뮬레이션은 정확한 방출 예측을 도출하기 어려울 수 있다.