[논문 리뷰] Ratio of kinetic luminosity of the jet to bolometric luminosity of the disk at the "cold" accretion onto a supermassive black hole

S. V. Bogovalov|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 09.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초거대 블랙홀에 대한 '차가운' 질량 축적에서, 자기장에 의한 효율적인 각운동량 수송으로 인해 제트의 운동 에너지 빛나는 정도가 축적 원반의 복사 에너지 빛나는 정도를 초과할 수 있음을 제안한다. 샤크우라-수니아에프 α-디스크 모델을 사용하여, 빛나는 정도 비율은 디스크 내부의 자기압력과 바람 기저부의 자기압력 비율에 주로 의존하며, 이는 M87과 수렵개자리 A*에서 관측된 제트 에너지 수준을 성공적으로 예측한다.

ABSTRACT

Disk accretion onto black holes is accompanied by collimated outflows (jets). In active galactic nuclei (AGN), the kinetic energy flux of the jet may exceed the bolometric luminosity of the disk a few orders of magnitude. This phenomena can be explained in frameworks of so called "cold" disk accretion when the only source of energy of AGN is the energy released at the accretion. The radiation from the disk is suppressed because the wind from the disk carries out almost all the angular momentum and the gravitational energy of the accreted material. In this paper, we calculate an unavoidable radiation from the "cold" disk and the ratio of the kinetic energy luminosity of the outflow to the bolometric luminosity of the accretion disk around a super massive black hole in framework of the paradigm of the optically thick alpha-disk of Shakura \& Sunyaev. The ratio of the luminosities is defined predominantly by the ratio of the magnetic field pressure inside the disk to the magnetic field pressure at the base of the wind. The obtained equations applied to the jet of M87 demonstrate good agreement with observations. In the case of Sgr A*, these equations allow us to predict the kinetic energy flux from the disk around Galactic SMBH.

연구 동기 및 목표

• 은하핵 활성은 물론 M87과 수렵개자리 A*와 같은 은하핵 활성은행에서 제트 운동 에너지 빛나는 정도가 원반 복사 에너지 빛나는 정도를 초과하는 역설을 해결하기 위해.
• 바람에 의해 유도된 각운동량 수송으로 인해 복사가 억제되는 '차가운' 질량 축적의 에너지 역학을 조사하기 위해.
• 제트의 운동 에너지 빛나는 정도가 축적 원반의 복사 에너지 빛나는 정도를 초과할 수 있는 물리적 조건을 규명하기 위해.
• 고효율 제트 생성의 맥락에서 샤크우라-수니아에프 α-디스크 모델의 타당성을 시험하기 위해.
• 관측된 원반 빛나는 정도와 자기장 구조를 바탕으로 은하중심의 기체 분출의 운동 에너지 빛나는 정도를 예측하기 위해.

제안 방법

• 광학적으로 두꺼운 디스크 가정을 포함한 샤크우라-수니아에프 α-디스크 모델을 사용하여 제트 운동 에너지 빛나는 정도와 원반 복사 에너지 빛나는 정도의 비율을 수립한다.
• 디스크 내부의 자기압력과 바람 기저부의 자기압력 비율을 θ로 표기하여, 빛나는 정도 비율을 이 비율의 함수로 유도한다.
• 유도된 식을 M87과 수렵개자리 A*의 관측 데이터에 적용하여 관측된 빛나는 정도와의 일치성을 시험한다.
• 블랙홀의 기본 평면을 사용하여 관측된 X선 및 라디오 복사 강도에서 질량 축적률과 원반 빛나는 정도를 추정한다.
• 모델에서 유도된 비례법을 사용하여 관측된 복사 에너지 빛나는 정도에서 질량 축적률 ṁ을 추정한다.
• ṁ와 θ에 기반하여 '차가운' 질량 축적과 표준 샤크우라-수니아에프 제도 사이의 전이 조건을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 '차가운' 질량 축적의 프레임워크 내에서 은하핵 활성의 제트 운동 에너지 빛나는 정도가 원반 복사 에너지 빛나는 정도를 초과할 수 있는가?
• RQ2 지배적인 원반 복사 없이도 제트 운동 에너지 빛나는 정도와 원반 복사 에너지 빛나는 정도의 비율은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ3 '차가운' 질량 축적에서 디스크 내부와 바람 기저부 사이의 자기압력 비율(θ)은 빛나는 정도 비율을 어떻게 규제하는가?
• RQ4 얼마나 많은 정도로 '차가운' 질량 축적 제도가 M87과 수렵개자리 A*에서 관측된 제트 에너지 수준을 설명하는가?
• RQ5 질량 축적률이 얼마일 때 '차가운' 질량 축적에서 표준 샤크우라-수니아에프 질량 축적 제도로의 전이가 발생하는가?

주요 결과

• 제트 운동 에너지 빛나는 정도와 원반 복사 에너지 빛나는 정도의 비율은 주로 디스크 내부의 자기압력과 바람 기저부의 자기압력 비율(θ)에 의해 결정되며, 높은 θ는 더 강한 제트 생성을 유도한다.
• M87의 경우 모델이 예측한 빛나는 정도 비율은 관측 결과와 잘 일치하여 고출력 제트에 대한 프레임워크의 타당성을 검증한다.
• 수렵개자리 A*의 경우, 원반 복사 에너지 빛나는 정도가 10³⁶ erg/s일 때 모델은 제트 운동 에너지 빛나는 정도를 4.4 × 10³⁹ erg/s로 예측하며, 이는 원반 빛나는 정도를 4400배 초과한다.
• 모델은 낮은 질량 축적률(ṁ < 10⁻²)에서 '차가운' 질량 축적 제도가 지배적이며, 대부분의 중력 에너지가 복사 대신 제트로 향함을 예측한다.
• 질량 축적률 ṁ ≈ 0.01–0.1에서 '차가운' 질량 축적 제도에서 표준 샤크우라-수니아에프 질량 축적 제도로의 전이가 발생하며, 이는 은하핵 빛나는 정도와 기체 분출 활동의 관측 전이와 일치한다.
• 추정된 θ는 ṁ 증가에 따라 두 개의 지수만큼 증가하며, MRI 다이너모 시뮬레이션과 관측 제약 조건과 일치한다.