[論文レビュー] Binary black holes and tori in AGN II. Can stellar winds constitute a dusty torus?

Christian J. Zier, Peter L. Biermann|ArXiv.org|Mar 21, 2002

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 87被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、二重ブラックホール合体後に形成される星の環状構造から発する星風が、活動銀河核（AGN）において不均一で光学的に厚い-dusty torusを形成すると提案する。星風は放射圧によって細長い自己遮蔽性の尾に形状され、覆い因子が1に達し、観測された高い吸収密度と10年スケールのX線変動を説明する。このモデルは、明確に光度と合体質量に相関する厚みのあるクラスタ型トゥルスを自然に生成し、統一模型の物理的起源と、電波銀河におけるスピン反転現象を説明する。

ABSTRACT

We determine the properties of the stellar torus that we showed in a previous paper to result as a product of two merging black holes. If the surrounding stellar cluster is as massive as the binary black hole, the torque acting on the stars ejects a fraction which extracts all the binary's angular momentum on scales of ~10^7 yr, and a geometrically thick torus remains. In the present article we show that a certain fraction of the stars has winds, shaped into elongated tails by the central radiation pressure, which are optically thick for line of sights aligned with them. These stars are sufficiently numerous to achieve a covering factor of 1, so that the complete torus is optically thick. We find the parameters of such a patchy torus to be in the right range to explain the observed large column densities in AGN and their temporal variations on time scales of about a decade. Within this model the BAL quasars can be interpreted as quasars seen at intermediate inclination angles, with the line of sight grazing the edge of the torus. The opening angle of the torus is wider for major mergers and thus correlates with the central luminosity. In this picture the spin of the merged black hole is possibly dominated by the orbital angular momentum of the binary. Thus the spin of the merged black hole points into a new direction, and consequently the jet experiences a spin-flip according to the spin-paradigm. This re-orientation could be an explanation for the X-shaped radio galaxies, and the advancing of a new jet through the ambient medium for Compact Symmetric Objects.

研究の動機と目的

• 活動銀河核（AGN）におけるダスティトゥルスの起源を、二重ブラックホール合体後に放出された星の星風の産物として説明すること。
• これらの星風が幾何学的に厚く、不均一なトゥルスを形成でき、覆い因子 ≈1 を達成できることを示すこと。
• 10年スケールの時間的変動を示す観測されたAGNの吸収密度変動と、そのトゥルス構造を関連付けること。
• トゥルスの幾何学的形状と透過率を、特にタイプ1およびタイプ2AGNの統一模型に関連付けること。
• X型電波銀河およびコンパクト対称的オブジェクト（CSOs）におけるジェット再配向（スピン反転）に及ぼす影響を検討すること。

提案手法

• 二重ブラックホール系の重力場における星の運動をモデル化し、二重星からのトルクを用いて星を環状構造に放出する。
• 中心の降着円盤からの放射圧が星風に与える影響をシミュレートし、その星風が細長い、光学的に厚い尾に形状されることを示す。
• 星風分布と視線の幾何学的配置を統合することで、得られるトゥルスの覆い因子と光学的厚さを計算する。
• 二重星の光度と質量比を用いて放射圧の強度と星風の曲げ具合を推定し、トゥルスの厚さと開口角とを関連付ける。
• モデルが予測する吸収密度と変動時間スケールを、観測されたAGNデータと比較する。
• 降着率の低下や光度の変化といった時間発展的効果を組み込み、時間依存的な遮蔽をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合体後の星の環状クラスタから発する星風は、統一模型を説明できる幾何学的に厚く、光学的に厚いトゥルスを形成できるか？
• RQ2 放射圧によって形状付けられた星風の力学的挙動は、覆い因子 ≈1 の不均一構造を生じるか？
• RQ3 このモデルは、観測されたAGNにおける10年スケールの吸収密度変動を再現できるか？
• RQ4 トゥルスの半開口角と透過率は、中心の光度と二重星の質量比とどのように相関するか？
• RQ5 X型電波銀河およびコンパクト対称的オブジェクト（CSOs）におけるジェット再配向（スピン反転）にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 星風トゥルスは覆い因子が約1に達し、すべての視線に対して完全に光学的に厚くなる。
• 細長い放射圧に曲げられた星風の尾が形成する不均一構造が、約10年スケールの観測された吸収密度変動を自然に説明する。
• トゥルスの半開口角は中心の光度に応じて増加し、合体するブラックホールの質量比と相関する。
• 本モデルは、バルク吸収ラインクェーサーを、トゥルスの縁を斜めに通過する視線で観測したAGNとして説明できる。
• 合体後のブラックホールのスピンは、主に二重星の軌道角運動量に支配され、スピン反転を引き起こす可能性があり、X型電波銀河およびCSOsにおけるジェット進展を説明できる。
• 星が二重ブラックホールポテンシャル内を運動する力学的挙動により、トゥルスは自然に幾何学的に厚くなるため、圧力支持やクラスタの運動に関する恣意的な仮定は不要となる。