[논문 리뷰] Outflow from super-Eddington flow: where it originates from and how much impact it gives?

Takaaki Kitaki, Shin Mineshige외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 26.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초아크티브 흡착 유동에서의 외류 기원과 영향을 규명하기 위해 대규모 2차원 복사유체역학 시뮬레이션을 수행한다. 외류는 주로 약 ~140 rS 이내에서 기인하며, 질량 외류율은 약 ~24 L_Edd/c², 기계적 빛의 세기(기계적 빛의 세기)는 약 ~0.16 L_Edd로, 관측된 ULX와 일치한다.

ABSTRACT

It is widely believed that super-Eddington accretion flow can produce powerful outflow, but where it originates from and how much mass and energy are carried away to which directions? To answer to these questions, we newly perform a large-box, two-dimensional radiation hydrodynamic simulation, paying special attention lest the results should depend on adopted initial and boundary conditions. We could achieve a quasi-steady state in an unprecedentedly large range, $r=2~r_{ m S}$-$600~r_{ m S}$ (with $r_{ m S}$ being the Schwarzschild radius) from the black hole. The accretion rate onto the central $10 ~M_{\odot}$ black hole is $\dot{M}_{ m BH} \sim 180 ~L_{ m Edd}/c^{2}$, whereas the mass outflow rate is ${\dot M}_{ m outflow} \sim 24 ~L_{ m Edd}/c^2$ (where $L_{ m Edd}$ and $c$ are the Eddington luminosity and the speed of light, respectively). The ratio (${\dot M}_{ m outflow}/{\dot M}_{ m BH} \sim 0.14$) is much less than those reported previously. By careful inspection we find that most of outflowing gas which reach the outer boundary originates from the region at $R\lesssim140~r_{ m S}$, while gas at $140~r_{ m S}$-$230 ~r_{ m S}$ forms failed outflow. Therefore, significant outflow occurs inside the trapping radius $\sim 450 ~r_{ m S}$. The mechanical energy flux (or mass flux) reaches its maximum in the direction of $\sim 15^\circ$ ($\sim 80^\circ$) from the rotation axis. The total mechanical luminosity is $L_{ m mec}\sim 0.16~L_{ m Edd}$, while the isotropic X-ray luminosity varies from $L_{ m X}^{ m ISO}\sim 2.9~L_{ m Edd}$, (for a face-on observer) to $\sim 2.1~L_{ m Edd}$ (for a nearly edge-on observer). The power ratio is $L_{ m mec}/L_{ m X}^{ m ISO}\sim 0.05$-$0.08$, in good agreement with the observations of Ultra-Luminous X-ray sources surrounded by optical nebulae.

연구 동기 및 목표

• 초아크티브 흡착 유동에서 외류의 공간적 기원을 규명하는 것.
• 다양한 방향으로 흐르는 외류가 지닌 질량 및 에너지 유량을 정량화하는 것.
• 초기 조건 및 경계 조건이 외류 성질에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 광자 포획과 점성 열화가 흡착-외류 구조를 어떻게 형성하는지 검토하는 것.
• 시뮬레이션된 기계적 빛의 세기와 X선 빛의 세기를 초광량 X선 소스(ULXs)의 관측과 비교하는 것.

제안 방법

• 인위적 경계 효과를 피하기 위해 r = 2 rS에서 3000 rS까지의 큰 상자, 2차원 복사유체역학 시뮬레이션을 수행하였으며, 킬러프레인 반경은 2430 rS로 설정하였다.
• 신뢰할 수 있는 외류 및 흡착 진단을 확보하기 위해 r ≤ 600 rS 영역에서 준정적 상태 접근법을 사용하였다.
• 기름진 외류와 실패한 외류를 구분하기 위해 기체의 유선과 질량 유량을 추적하였다.
• 운동 에너지 유량에서 기계적 빛의 세기(L_mec)와 다양한 관측 각도에서 복사 유량에서 등가 X선 빛의 세기(L_X^ISO)를 계산하였다.
• 슬림 디스크 모델과 광자 포획 반경(R_trap ≈ 450 rS)을 적용하여 디스크 구조와 외류 형성의 해석을 수행하였다.
• 대류 운동과 디스크 내 에너지 균형을 연구하기 위해 시간 평균 및 스크래치 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외류는 흡착 유동의 어디에서 기인하며, 기수 영역의 반경 범위는 어떻게 되는가?
• RQ2 흡착률의 몇 퍼센트가 외류에 의해 반출되는가? 이 비율은 흡착률에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 외류의 기계적 빛의 세기는 얼마이며, 등가 X선 빛의 세기와 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 디스크의 등방성 평면과 표면 층에서 복사 에너지와 기체 에너지 균형은 어떻게 다를까?
• RQ5 초기 조건과 경계 조건이 시뮬레이션된 외류 성질에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 외류는 주로 ~140 rS 이내에서 기인하며, 외부 경계에 도달하는 대부분의 기체가 이 영역에서 유래한다.
• 질량 외류율은 약 ~24 L_Edd/c²이며, 블랙홀 흡착률은 약 ~180 L_Edd/c²로, 질량 외류율 대 흡착률 비율은 약 ~0.14이다.
• 기계적 빛의 세기(L_mec)는 약 ~0.16 L_Edd에 도달하며, 이는 자전축으로부터 약 ~15°에서 최고치를 보인다.
• 등가 X선 빛의 세기는 약 ~2.9 L_Edd(면대면 관측 시)에서 ~2.1 L_Edd(측면 관측 시)로 변동하며, 기계적 빛의 세기 대 X선 빛의 세기 비율(L_mec/L_X^ISO)은 약 0.05–0.08이다.
• 광자 포획 반경(R_trap ≈ 450 rS)은 블랙홀 근처의 두꺼운 디스크(H/R ~ 1)와 더 큰 반경에서 두께가 일정한 디스크를 분리한다.
• 대류는 디스크에서 두드러지며, 특히 ~40 rS 이내에서 두드러지며, 시뮬레이션 좌표계에서 더 자주 시계방향으로 발생한다.