[논문 리뷰] Ergomagnetosphere, Ejection Disc, Magnetopause in M87. I Global Flow of Mass, Angular Momentum, Energy and Current

R. D. Blandford, Noémie Globus|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 25.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 82인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 M87에서 이벤트 호라이즌 망원경(EHT)에 의해 관측된 1.3 mm 링이 전통적인 순환 토르스가 아니라, 전자기적 토크와 음energetic 파동을 통해 자전하는 블랙홀의 회전 에너지를 추출하는 자기장이 지배하는 에르고마그네토스피어임을 제안한다. 이 메커니즘은 상대론적 제트와 대규모 MHD 바람을 동력화하며, 질량 유출을 유도하고 제트를 콘두르며, 높은 질량 공급률에도 불구하고 낮은 복사 효율을 설명한다.

ABSTRACT

We interpret the 1.3mm VLBI observations made by the Event Horizon Telescope of the black hole in M87. It is proposed that, instead of being a torus of accreting gas, the observed annular ring is a rotating, magnetically-dominated ergomagnetosphere that can transmit electromagnetic angular momentum and energy outward to the disc through a combination of large scale magnetic torque and small scale instabilities. It is further proposed that energy can be extracted by magnetic flux threading the ergosphere through the efficient emission of long wavelength electromagnetic disturbances onto negative energy orbits, when the invariant $B^2-E^2$ becomes negative. In this way, the spinning black hole and its ergosphere not only power the jets but also the ejection disc so as to drive away most of the gas supplied near the Bondi radius. This outflow takes the form of a MHD wind, extending over many decades of radius, with a unidirectional magnetic field, that is collimated by the infalling gas across a magnetopause. This wind, in turn, collimates the relativistic jets and the emission observed from the jet sheath may be associated with a return current. A model for the global flow of mass, angular momentum, energy and current, on scales from the horizon to the Bondi radius, is presented and discussed.

연구 동기 및 목표

• 높은 질량 공급률에도 불구하고 M87의 순환에서 낮은 복사 효율을 설명하기 위해.
• 높은 본디 순환률과 낮은 관측된 빛의 강도 사이의 괴리를 해결하기 위해.
• 제트의 동력(6×10⁴³ erg s⁻¹)이 링의 복사 강도(10⁴¹ erg s⁻¹)를 600배 초월하는 이유를 밝혀내기 위해, 블랙홀 자전 에너지를 추출하는 메커니즘을 규명하기 위해.
• 이심원에서 본디 반경까지의 질량, 운동량, 에너지, 전류의 전역 모델을 제안하기 위해.
• 에르고마그네토스피어와 자기장 경계면이 에너지 및 운동량 전달을 가능하게 하는 핵심 인터페이스임을 규명하기 위해.

제안 방법

• 이벤트 호라이즌에서 ϖem ∼5×10¹⁵ cm까지 연장되는 자기장이 지배하는 에르고마그네토스피어를 제안하며, 여기서 전자기적 토크가 운동량과 에너지를 전달한다.
• B² − E² < 0 인 궤도에서 음에너지 전자기파를 통한 자전 에너지 추출을 도입하여 효율적인 에너지 전달을 가능하게 한다.
• 유출을 원심력에 의해 에지션 디스크에서 발생하는 MHD 바람으로 모델링하며, ϖed ∼10²⁰ cm에서 발생하는 자기장 경계면에 의해 콘두르된다.
• 네 가지 핵심 인터페이스를 식별한다: 자기장 경계면, 코로나-디스크 경계면, 에르고마그네토스피어, 제트-쉐이드 경계면.
• 다른 영역에서는 힘-자유 및 MHD 기술을 사용하며, ϖem에서 전이를 수행한다.
• 관측 비교를 위해 제트 쉐이드에서 전자기적 소산과 바람에서 파라데이 회전 효과를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 M87의 제트 동력(6×10⁴³ erg s⁻¹)이 관측된 링 복사 강도(10⁴¹ erg s⁻¹)를 600배나 초월하는가?
• RQ2 왜 본디 질량 공급률 ∼10²⁵ g s⁻¹에도 불구하고 M87의 순환 유동은 복사 효율이 매우 낮은가?
• RQ3 대부분의 유입 기체가 콘두르된 MHD 바람으로 분출되면서도 복사 효율이 낮은 이유는 무엇인가?
• RQ4 두꺼운 토르스가 없이도 제트가 약 30–105개의 중력 반경 스케일에서 콘두르되는 이유는 무엇인가?
• RQ5 자기장 경계면이 유입과 유출를 분리하고 전역 피드백을 가능하게 하는 데서 수행하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 에르고마그네토스피어는 총 제트 동력의 약 10%를 블랙홀의 자전 에너지에서 추출하며, 이 에너지는 약 0.15×10⁶³ erg로 추정되며, 디스크 바람을 동력화하고 제트를 콘두르는 데 기여한다.
• 1.3 mm에서 관측된 링은 전통적인 순환 토르스가 아니라 에르고마그네토스피어에서 발생하는 복사로 해석되며, 밝기 온도는 약 6 GK이다.
• B² − E² < 0 인 조건에서 음에너지 궤도에서 전자기적 불안정성에 의해 에너지가 추출되며, 이는 자전 에너지의 효율적 전달을 가능하게 한다.
• MHD 바람은 본디 반경(rBondi ∼250 pc)에서 공급된 대부분의 질량을 운반하며, 낮은 복사 효율을 설명한다.
• ϖed ∼10²⁰ cm에서 위치한 자기장 경계면은 내측 유입과 외측 분출 디스크를 분리하며, 파라데이 회전을 통한 관측 가능성도 있다.
• 데프로젝션 거리 ≥5×10¹⁷ cm에서 관측된 제트 쉐이드는 일반화된 점성 및 저항성 소산을 포함하는 전자기 경계층이며, 입자 가속과 전파 복사에 기여한다.