[논문 리뷰] General relativistic radiation transport: Implications for VLBI/EHT observations of AGN discs, winds and jets

Bidisha Bandyopadhyay, Christian Fendt외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 21.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 87인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초거대 블랙홀 주위의 질량흡착원판, 풍류, 제트를 일반상대론적 자기유체역학(그리-엠하드) 시뮬레이션을 통해 모의하고, 저항성 항목을 포함하여, 그 결과를 일반상대론적 레이트레이싱 코드인 그릿랜스를 후처리하여 동기방출을 시뮬레이션한다. 연구는 M87 유사 매개변수 조건에서 EHT가 관측한 고리형 특징을 재현함을 보이며, 이러한 특징이 VLBI/EHT 관측에서 가시화되기 위한 핵심 물리적 조건—블랙홀 스핀, 자기장 강도, 풍류/제트 방출 등—을 규명한다.

ABSTRACT

In 2019, the Event Horizon Telescope Collaboration (EHTC) has published the first image of a supermassive black hole (SMBH) obtained via the Very Large Baseline Interferometry (VLBI) technique. In the future, it is expected that additional and more sensitive VLBI observations will be pursued for other nearby Active Galactic Nuclei (AGN), and it is therefore important to understand which possible features can be expected in such images. In this paper, we post-process General Relativistic Magneto-Hydrodynamical (GR-MHD) simulations which include resistivity, thus providing a self-consistent jet formation model, including resistive mass loading of a wind launched from a disc in Keplerian rotation. The ray-tracing is done using the General Relativistic Ray-Tracing code GRTRANS assuming synchrotron emission. We study the appearance of the black hole environment including the accretion disc, winds and jets under a large range of condition, varying black hole mass, accretion rate, spin, inclination angle, disc parameters and observed frequency. When we adopt M87-like parameters, we show that we can reproduce a ring-like feature (similar as observed by the EHT) for some of our simulations. The latter suggests that such Keplerian disc models thus could be consistent with the observed results. Depending on their masses, accretion rates, spin and the sensitivity of the observation, we note that other SMBHs may show additional features like winds and jets in the observations.

연구 동기 및 목표

• 일반상대론적 복사전달을 통해 AGN에서 질량흡착원판, 풍류, 제트의 관측 가능 서명을 이해하기 위해.
• 블랙홀 질량, 스핀, 흡착률, 기울기와 같은 물리적 매개변수가 VLBI 이미지의 외관에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 풍류와 제트가 EHT 유사 관측에서 어떤 조건에서 가시화되는지 규명하기 위해.
• 저항성 질량 적재가 있는 케플러 원판 모델이 M87에서 EHT가 관측한 고리형 구조를 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 풍류와 제트의 방출이 블랙홀 그림자와 광자 고리의 가시성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 저항성을 포함한 일반상대론적 자기유체역학(그리-엠하드) 시뮬레이션을 확장된 HARM3D 코드를 사용해 수행하여 자기 일관성 있는 원판-풍류-제트 시스템을 모의한다.
• 저항성은 자기확산성으로 구현되어 원판에서 제트로 질량 적재를 가능하게 하여 유입/유출 흐름을 가능하게 한다.
• 곡선 시공간 내에서 시뮬레이션된 플라즈마에서 동기방출을 계산하기 위해 그릿랜스 레이트레이싱 코드를 사용한다.
• VLBI 관측을 시뮬레이션하기 위해 주파수, 기울기, 블랙홀 매개변수의 범위에서 강도 지도를 생성한다.
• EHT 관측과 비교하기 위해 M87 유사 매개변수(질량, 흡착률, 스핀)를 포함한다.
• 중력 렌즈 효과, 도플러 부스팅, 적색편이 효과를 고려하기 위해 일반상대론적 프레임워크 내에서 복사전달 문제를 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저항성 질량 적재가 있는 그리-엠하드 시뮬레이션은 M87에서 EHT가 관측한 고리형 특징을 재현할 수 있는가?
• RQ2 블랙홀 스핀, 자기장 강도, 흡착률은 VLBI 이미지에서 제트와 풍류의 가시성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 원판 풍류가 내부 BZ 제트의 가시성을 가림 또는 증가시키는 조건은 무엇인가?
• RQ4 원판, 풍류, 제트의 상대적 방출도가 시뮬레이션된 EHT 이미지의 총 방출량과 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 강한 풍류 방출이 총 방출량이 M87 관측과 일치하더라도 광자 고리 구조를 얼마나 흐리게 만들 수 있는가?

주요 결과

• M87 유사 매개변수와 중간 정도의 자기장 강도(20EF, 21EF, 22EF)를 가진 모델은 EHT가 관측한 고리형 특징을 성공적으로 재현한다.
• 20EF 및 21EF 모델의 통합 방출량은 230GHz에서 약 1 Jy이며, M87 관측 결과와 일치한다.
• 블랜드포드-즈나예크(BZ) 제트는 면대면 구성에서만 가시하고, 경사면 시야에서는 강력한 원판 풍류에 의해 차단된다.
• 강력한 원판 풍류는 총 방출량이 M87과 일치하더라도 광자 고리를 크게 흐리게 하여 그림자의 명확성을 떨어뜨린다.
• 높은 전자 온도는 총 방출도를 증가시키지만, 방출이 풍류와 제트에 의해 지배될 경우 원판 온도 변화의 영향은 미미하다.
• 슈바르츠실트 경우(22EF)는 관측된 것보다 훨씬 낮은 방출량을 생성하여 고리 스핀이 M87와 일치하기 위해서는 높은 스핀이 필수적임을 시사한다.