[논문 리뷰] GRMHD simulations of BH activation by small scale magnetic loops: Formation of striped jets and active coronae

Anna Chashkina, Omer Bromberg외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 29.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 40인용 수 55

한 줄 요약

이 연구는 극성 방향이 번갈아가는 소규모 자기 링크의 낙착을 통해 블랙홀 활성화를 2차원 및 3차원 GRMHD 시뮬레이션을 통해 조사한다. 이러한 링크가 약 ~10rg 이상이며 블랙홀 주변 약 ~100rg 이내에서 유지될 경우, 단일 링크 모델에서 관측되는 전력의 10–20%에 해당하는 준-스트리프드 제트를 발생시킬 수 있으며, 동시에 주기적인 낙착 상태와 전류판 소멸을 유도하여 딱딱한 X선 꼬리를 공급할 수 있음을 발견하였다.

ABSTRACT

We have performed a series of numerical experiments aimed at studying the activation of Kerr black holes (BHs) by advection of small scale magnetic fields. Such configurations may potentially give rise to the formation of quasi-striped Blandford-Znajek jets. It can also lead to enhanced dissipation and generation of plasmoids in current sheets formed in the vicinity of the BH horizon, which may constitute a mechanism to power the hard X-ray emission seen in many accreting BH systems (a la lamppost models). Our analysis suggests that formation of quasi-striped jets with significant power may be possible provided loops with alternating polarity having sizes larger than $\sim 10 r_g$ or so can be maintained (either form sporadically or advected from outside) at a radius $\lesssim 10^2 r_g$. This conclusion is consistent with recent results of general relativistic force-free simulations. We also find that the accretion dynamics exhibits cyclic behaviour in MAD states, alternating between high accretion phases and quenched accretion phases during which the magnetosphere becomes force-free out to radii $\gtrsim 10r_g$. We suggest that such a behaviour should lead to notable variations of the observed luminosity and image of the inner disc (BH shadow image). Finally, we find that the transition between accreted loops on the BH gives rise to the formation of current sheets and energetic plasmoids on the jet boundary during intermittent periods when the jet becomes inactive, in addition to an equatorial current sheet that forms during peaks in the jet activity.

연구 동기 및 목표

• 극성 방향이 번갈아가는 소규모 자기 링크가 케르 블랙홀을 활성화하고 상대론적 제트를 방출할 수 있는지 조사하기.
• 링크 낙착으로 인해 블랙홀 표면 근처에서 전류판과 플라즈모이드가 어떻게 형성되는지 검토하기.
• 주기적인 낙착 역학의 영향을 밝혀 빛의 세기 변동성과 블랙홀 그림자 형태와 같은 관측 가능한 특성에 미치는 영향 평가하기.
• 이전의 GRFFE 시뮬레이션과 비교하여 GRMHD 결과를 분석하고, 현실적인 조건에서 제트 및 소멸 형성의 탄력성 평가하기.
• 이러한 구성이 딱딱한 X선 방출의 램프스타일 모델에서 관측되는 밀집 꼬리의 에너지원으로서 실현 가능할지 탐색하기.

제안 방법

• 보이어-린드클라우스 좌표계에서 HARMPI 코드를 사용해 2차원 및 3차원 일반 상대론적 유체역학(MHD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 초기 조건으로 피시본 및 몰크리프 토르스와 극성 방향이 번갈아가는 자기 링크(이량체, 4량체, 다량 링크)를 포함시켰다.
• 블랙홀의 에르고스피어로 링크가 낙착하는 과정을 시뮬레이션하여 제트 형성, 자기 소멸, 전류판 발달을 추적하였다.
• 시간에 따라 변화하는 데이터를 분석해 주기적인 낙착 상태를 식별하고, 수직 자기장의 특징적 길이 척도를 측정하였다.
• 3차원 시뮬레이션에서 ISCO 내부의 자기장선 곡률 반경을 통해 플라즈모이드 형성을 추론하였다.
• 이전의 GRFFE 시뮬레이션 결과와 비교하여 GRMHD 접근법의 일관성과 한계를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극성 방향이 번갈아가는 소규모 자기 링크 낙착이 상당한 전력의 준-스트리프드 제트를 형성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 링크가 제트 전력 유지를 위해 충족해야 할 조건은 무엇인가? 빠른 소멸을 피하기 위한 조건은?
• RQ3 주기적인 낙착 역학(높은 낙착 단계와 억제된 낙착 단계를 번갈아가며)이 빛의 세기 및 그림자 이미지와 같은 관측 가능한 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 링크 낙착 중 자기장에서 전류판과 플라즈모이드는 어디에 어떻게 형성되는가?
• RQ5 이 메커니즘은 많은 블랙홀 시스템에서 관측되는 밀집하고 딱딱한 X선 방출 꼬리를 자연스럽게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 극성 방향이 번갈아가는 자기 링크가 크기 약 ~10rg 이상이며 블랙홀 주변 약 ~100rg 이내에서 유지될 경우, 단일 링크 모델에서의 제트 전력의 10–20%에 해당하는 준-스트리프드 제트가 형성될 수 있다.
• MAD 상태에서 주기적인 낙착 역학이 나타나며, 고속 낙착 단계와 억제된 낙착 단계가 번갈아 나타나며, 이때 자기장은 약 ≳10rg까지 힘의 균형 상태가 된다.
• 억제된 단계 동안 얇은 등위면 전류판이 형성되며, 이는 EHT 블랙홀 그림자 관측 결과와 일치하지 않을 수 있으나 고에너지 방출을 강화할 수 있다.
• 플라즈모이드는 MAD 상태에서 링크 재결합 시 제트 경계에서, 그리고 주기적인 재결합 시 등위면에서 형성되며, 이는 타당한 에너지 소멸 채널을 나타낸다.
• 3차원 시뮬레이션에서 플라즈모이드 형성은 ISCO 내부의 자기장선 곡률 반경을 통해 추론되었으며, 2차원 결과와 일관성을 보였다.
• 결과는 질적으로 GRFFE 시뮬레이션과 일치하지만, 해상도 제한, 자기 냉각의 자발적 고려 부족, GRMHD에서의 인위적 플라즈마 주입 등로 인해 제한이 있다.