[論文レビュー] 3D Radiation Hydrodynamic Simulations of Gravitational Instability in AGN Accretion Disks: Effects of Radiation Pressure

Yi-Xian Chen, Yan-Fei Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、3次元放射圧動力学的せん断ボックスシミュレーションを用いて、光学的に厚いAGN降着円盤における重力不安定性（GI）を調査し、放射圧が破壊の臨界冷却時間尺度に与える影響に注目する。放射圧が破壊の閾値を著しく低下させることを発見した。完全に放射圧支配の円盤では、冷却時間尺度 $ Omega t_{ m cool} less 50$ で破壊が発生し、最大の乱流レベル $ alpha less 0.02$ に相当する。これはMRI駆動乱流と同等の水準である。

ABSTRACT

We perform 3D radiation hydrodynamic local shearing box simulations to study the outcome of gravitational instability (GI) in optically thick Active Galactic Nuclei (AGN) accretion disks. GI develops when the Toomre parameter QT \leq 1, and may lead to turbulent heating that balances radiative cooling. However, when radiative cooling is too efficient, the disk may undergo runaway gravitational fragmentation. In the fully gas-pressure-dominated case, we confirm the classical result that such a thermal balance holds when the Shakura-Sunyaev viscosity parameter (alpha) due to the gravitationally-driven turbulence is \sim 0.2, corresponding to dimensionless cooling times Omega tcool \sim 5. As the fraction of support by radiation pressure increases, the disk becomes more prone to fragmentation, with a reduced (increased) critical value of alpha (omega tcool). The effect is already significant when the radiation pressure exceeds 10% of the gas pressure, while fully radiation-pressure-dominated disks fragment at Omega tcool <50 . The latter translates to a maximum turbulence level alpha<0.02, comparable to that generated by Magnetorotational Instability (MRI). Our results suggest that gravitationally unstable (QT \sim 1) outer regions of AGN disks with significant radiation pressure (likely for high/near- Eddington accretion rates) should always fragment into stars, and perhaps black holes.

研究の動機と目的

• AGN降着円盤における重力不安定性（GI）の臨界冷却時間尺度に放射圧がどのように影響を与えるかを理解すること。
• 特に高Eddington降着率領域を含め、放射圧分率を変化させた場合の円盤破壊の閾値を特定すること。
• 重力不安定な外側AGN円盤領域が星またはブラックホールに破壊するか、安定を保てるかを評価すること。
• 自己重力円盤における重力加熱と放射冷却のバランスが放射圧によってどのように変化するかを定量化すること。
• 自己一貫した放射輸送を伴う高分解能3次元放射流体力学的シミュレーションを実施し、従来の解析モデルを検証および拡張すること。

提案手法

• AGN降着円盤の乱流的ダイナミクスを捉えるために、局所的せん断ボックスモデルを用いた3次元放射流体力学的シミュレーションを実施する。
• 円盤全体にわたって一定比 $\Pi = P_{\rm rad}/P_{\rm gas}$ をとる自己一貫した放射圧モデルを導入し、光学的に厚い状態を再現する。
• 放射圧支配の円盤に対して、定数 $\Pi$ と鉛直方向静水的平衡の仮定に基づいて導かれる多項指数状態方程式 $P \propto \rho^{4/3}$ を用いる。
• 解析解（Jiang & Goodman, 2011）を用いて、$Q$、$\Sigma$、$\rho_0$ でパrameter化された垂直方向に解像された密度および圧力プロファイルで円盤を初期化する。
• 光球面外（$|z| \gtrsim \mathcal{H}$）での初期放射フラックス $F_z$ およびエネルギー密度を、$\mathcal{H}$ を超えて光学的に薄い冷却を仮定して自己一貫して計算する。
• 放射冷却、重力仕事、乱流加熱を含む完全なエネルギー方程式に従って系を進化させ、安定性および破壊の有無を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射圧分率を上昇させると、AGN円盤における重力不安定性の臨界冷却時間尺度 $\Omega t_{\rm cool}$ はどのように変化するか？
• RQ2 放射圧支配の円盤において、破壊が避けられないのはどの $\Omega t_{\rm cool}$ 値で発生するか？
• RQ3 放射圧の存在が、ガス圧支配の円盤と比較してGI破壊の閾値を低下させるか？
• RQ4 完全に放射圧支配の円盤において、破壊が発生する前の最大持続可能な乱流レベル $\alpha$ はどの程度か？
• RQ5 高降着率を示す重力不安定なAGN円盤の外側領域は安定を保てるか、それとも必然的に星形成に陥るか？

主な発見

• ガス圧支配の円盤では、$\alpha \lesssim 0.2$ のとき熱的平衡が維持され、これは古典理論に一致する冷却時間 $\Omega t_{\rm cool} \gtrsim 5$ に相当する。
• 放射圧がガス圧の10％を超えると、破壊の臨界 $\alpha$ は顕著に低下し、破壊に対する感受性が高まることを示す。
• 完全に放射圧支配の円盤では、$\Omega t_{\rm cool} \lesssim 50$ で破壊が発生し、最大乱流レベル $\alpha \lesssim 0.02$ に相当する。
• この $\alpha \lesssim 0.02$ の閾値は、磁気回転不安定性（MRI）によって生成される乱流レベルと同等であるため、このような円盤ではGI駆動乱流が自らを維持できないことを示唆する。
• $Q_T \sim 1$ で高降着率（Eddington近傍）を示すAGN円盤の重力不安定な外側領域は、星またはブラックホールに破壊するものと予想される。
• シミュレーションにより、放射圧が有効な多項指数を $4/3$ にまで引き上げ、ガス圧支配のものと比較して破壊に対してより感受性が高いことが確認された。