[논문 리뷰] Making Fanaroff-Riley I radio sources. Numerical Hydrodynamic 3D Simulations of Low Power Jets

S. Massaglia, G. Bodo외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 08.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 45인용 수 33

한 줄 요약

이 연구는 3차원 유체역학 시뮬레이션을 통해 낮은 출력의 제트(운동 에너지 ≤10⁴³ erg s⁻¹)가 난류를 통한 점진적 에너지 소산을 통해 자연스럽게 Fanaroff-Riley I (FR I) 형태를 만들어내며, 이는 종단 충격파에서 에너지가 급격히 방출되는 FR II 소스와는 다름을 보여준다. 3차원성이 필수적임을 입증하며, 2차원 시뮬레이션은 3차원 에너지 스케일로의 전달이 없어 FR I 유사 플룸을 재현하지 못한다.

ABSTRACT

Extragalactic radio sources have been classified into two classes, Fanaroff-Riley I and II, which differ in morphology and radio power. Strongly emitting sources belong to the edge-brightened FR II class, and weakly emitting sources to the edge-darkened FR I class. The origin of this dichotomy is not yet fully understood. Numerical simulations are successful in generating FR II morphologies, but they fail to reproduce the diffuse structure of FR Is. By means of hydro-dynamical 3D simulations of supersonic jets, we investigate how the displayed morphologies depend on the jet parameters. Bow shocks and Mach disks at the jet head, which are probably responsible for the hot spots in the FR II sources, disappear for a jet kinetic power L_kin < 10^43 erg/s. This threshold compares favorably with the luminosity at which the FR I/FR II transition is observed. The problem is addressed by numerical means carrying out 3D HD simulations of supersonic jets that propagate in a non-homogeneous medium with the ambient temperature that increases with distance from the jet origin, which maintains constant pressure. The jet energy in the lower power sources, instead of being deposited at the terminal shock, is gradually dissipated by the turbulence. The jets spread out while propagating, and they smoothly decelerate while mixing with the ambient medium and produce the plumes characteristic of FR I objects. Three-dimensionality is an essential ingredient to explore the FR I evolution because the properties of turbulence in two and three dimensions are very different, since there is no energy cascade to small scales in two dimensions, and two-dimensional simulations with the same parameters lead to FRII-like behavior.

연구 동기 및 목표

• 은하계 외부 전파원에서 제트 파arameter가 FR II에서 FR I 형태로의 전이를 어떻게 규정지을지 조사하기 위해.
• 낮은 제트 출력에도 불구하고 2차원 시뮬레이션에서 왜 FR I 플룸 유사 구조를 재현하지 못하는지 규명하기 위해.
• 3차원성이 난류 에너지 소산과 제트 확산에 어떻게 기여하는지 명확히 하기 위해.
• FR I 소스는 종단 충격파가 아니라 점진적 에너지 소산을 특징으로 하며, 이는 정량적으로 확인하기 위해.

제안 방법

• 증가하는 외부 온도를 가진 계층적이고 비균일한 매질에서 초음속 제트의 3차원 유체역학(HD) 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 압력 일정, 온도가 증가하는 외부 매질을 사용하여 은하간-은하 내 전이를 모델링하기 위해.
• 제트 파arameter(Mach 수 M=4, 10, 40; 밀도 비율 η)를 사용해 운동 에너지를 제어하며, FR I 유사 케이스의 경우 L_kin ≤10⁴³ erg s⁻¹로 설정하기 위해.
• 차원성의 역할을 분리하기 위해 2차원 시뮬레이션과 결과를 비교하기 위해.
• 진행 및 에너지 투입 역학을 평가하기 위해 제트 머리 위치와 속도를 추적하기 위해.
• 자기장과 떠오름 효과를 무시하고, 비상대론적 제트에서 유체역학적 난류에 집중하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 난류는 은하계 외부 전파원의 낮은 출력 제트의 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 낮은 출력 제트의 2차원 시뮬레이션은 FR I 소스의 흐린 플룸 유사 구조를 재현하지 못하는가?
• RQ3 운동 에너지 임계값(~10⁴³ erg s⁻¹)은 FR I/FR II 전이에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 공간 분포와 메커니즘 측면에서 FR I와 FR II 소스 간의 에너지 소산 방식은 어떻게 다를까?
• RQ5 자기장이나 상대론적 효과를 도입하지 않고도 유체역학 시뮬레이션으로 관측된 FR I 형태를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 운동 에너지 ≤10⁴³ erg s⁻¹인 제트는 난류를 통한 점진적 에너지 소산을 보이며, FR I 소스의 특징적인 흐린 플룸 유사 구조를 형성한다.
• 3차원성이 난류 발달에 필수적이며, 동일한 파arameter를 가진 2차원 시뮬레이션은 에너지가 머리에 집중된 FR II 유사로 콘덴서된 제트를 생성한다.
• M=4 및 낮은 L_kin 조건에서 제트는 퍼지며 부드럽게 감속하고 주변 매질과 혼합되며, 대규모 난류 플룸을 형성한다.
• 낮은 출력 케이스의 제트 머리에서는 r≳80 kpc에서 특히 뚜렷하게 점진적인 감속과 공명 상실이 관찰되며, 이는 고출력 제트에서 관찰되는 안정적이고 고속의 진행과 대조된다.
• M=10(전이 임계점 근처)에서는 FR I와 FR II의 특징이 혼합된 형태를 보이며, 더 점진적인 에너지 투입과 조기에 나타나는 난류 징후를 보인다.
• 시뮬레이션은 FR I 제트가 10⁷ 년 이상의 시간 스케일 동안 주된 은하 내에서 고착되어 지속적인 전파 모드 피드백을 가능하게 함을 확인한다.