[논문 리뷰] Nonradial and nonpolytropic astrophysical outflows VIII. A GRMHD generalization for relativistic jets

Z. Méliani, C. Sauty외 3명|ArXiv.org|2005. 10. 20.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 41인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀의 코로나 자기기전에서 기반을 두고 있는 일반상대론적 유체역학(MHD) 모델을 제시하며, 축대칭 자기유사성 조건을 통해 열적 추진력에 의해 촉진되고 자기장 또는 열에 의해 빛나는 축소된 고속 제트를 연구한다. 일반상대론적 효과는 열적 추진력을 강화하지만 자기장에 의한 자가수축 효율은 감소시키며, 제트의 수축은 자기장 로터 효율을 측정하는 에너지 적분에 의해 결정된다.

ABSTRACT

Steady axisymmetric outflows originating at the hot coronal magnetosphere of a Schwarzschild black hole and surrounding accretion disk are studied in the framework of general relativistic magnetohydrodynamics (GRMHD). The assumption of meridional self-similarity is adopted for the construction of semi-analytical solutions of the GRMHD equations describing outflows close to the polar axis. In addition, it is assumed that relativistic effects related to the rotation of the black hole and the plasma are negligible compared to the gravitational and other energetic terms. The constructed model allows us to extend previous MHD studies for coronal winds from young stars to spine jets from Active Galactic Nuclei surrounded by disk-driven outflows. The outflows are thermally driven and magnetically or thermally collimated. The collimation depends critically on an energetic integral measuring the efficiency of the magnetic rotator, similarly to the non relativistic case. It is also shown that relativistic effects affect quantitatively the depth of the gravitational well and the coronal temperature distribution in the launching region of the outflow. Similarly to previous analytical and numerical studies, relativistic effects tend to increase the efficiency of the thermal driving but reduce the effect of magnetic self-collimation.

연구 동기 및 목표

• 비상대론적 MHD 제트 모델을 슈바르츠실트 블랙홀 근처의 일반상대론적 영역으로 확장하기 위해.
• 일반상대론적 중력장과 시공간 곡률이 열적 추진력과 자기장이 작용하는 제트의 수축 및 가속에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 특히 AGN 스파이크 제트의 맥락에서 자기장 고리 응력과 압력력의 역할을 평가하기 위해.
• 일반상대론적 효과가 제트 기반 근처의 중력 potential 웰 깊이와 코로나 온도 분포에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 이전의 자기유사적 MHD 해법을 일반상대론적 수정항을 포함하여 일반화하면서도, 제트 수축을 지배하는 에너지 적분의 물리적 통찰을 유지하기 위해.

제안 방법

• 경사면 자기유사성 가정을 통해 일반상대론적 MHD 방정식을 반경 및 각도 좌표에서의 상미분방정식 시스템으로 단순화한다.
• 힘의 자유 상태 근사에서 정 steady, 축대칭 일반상대론적 MHD 방정식을 해석하며 중력, 자기장 및 열압력의 영향를 포함한다.
• 반경 좌표와 위도각을 매개변수로 하는 자기장, 속도 및 밀도 분포에 대해 자기유사적 가정을 적용한다.
• 곡률이 있는 시공간에서 중력, 자기장 고리 응력, 기울기 압력, 전기력 및 열력의 힘 평형 방정식을 유도한다.
• 비상대론적 경우와 유사한 에너지 적분을 도입하여 자기장 로터에 의해 유도되는 수축 효율을 정량화한다.
• 경사면 및 균일 방향에서의 힘 항을 비교함으로써 열적 추진력과 자기장 자가수축의 기여도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반상대론적 수정항은 블랙홀 코로나에서 기반을 두고 있는 자기장이 작용하는 유동에서 열적 추진력의 효율을 어떻게 변화시키는가?
• RQ2 특히 사건의 지평선 근처에서 일반상대론적 영역에서 자기장 자가수축은 얼마나 효과적으로 유지되는가?
• RQ3 일반상수론적 효과 하에서 중력 잠재 에너지 웰의 구조와 코로나 온도 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 자기장 로터 효율 적분은 일반상대론적 제트의 수축 각도를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 반정적 해법을 통한 일반상대론적 MHD 해법은 관측된 AGN 제트의 주요 특징, 즉 높은 로렌츠 인자와 좁은 개구역 각도를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 일반상대론적 효과는 제트 기반 영역에서 열적 추진력의 효율을 높여 극축을 따라 플라즈마의 가속을 증가시킨다.
• 자기장 자가수축은 전기력의 둔화 효과와 유동 관성의 증가로 인해 일반상대론적 영역에서 감소한다.
• 제트의 수축은 자기장 로터 효율을 측정하는 에너지 적분에 의해 결정되며, 이는 비상대론적 모델과 일치한다.
• 일반상대론적 수정항은 중력 잠재 에너지 웰의 깊이를 정량적으로 변화시켜 경사면 힘 평형과 플라즈마 궤적에 영향을 준다.
• 특히 블랙홀 근처에서 일반상대론적 항목이 코로나 온도 분포에 영향을 주며 변화시킨다.
• 이 모델은 비상대론적 MHD 제트 해법을 일반상대론적 영역으로 일반화하여 AGN의 스파이크 제트 및 GRB의 일반상대론적 유동에의 적용을 가능하게 한다.