[論文レビュー] Jets in high-mass microquasars

M. Perucho|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、高質量マイクロクェーサーにおける最初の相対論的流体ダイナミクスシミュレーションを提示し、ジェットの形状と粒子加速が、恒星風、衝撃を受けた超新星残骸、および銀河間空間との相互作用に強く依存することを明らかにした。主な結果として、連星領域における再収縮衝撃波および衝撃を受けた銀河間空間内の衝撃波が、非熱的粒子加速の主要な場所であることが示され、サイグヌスX-1 やSS433 で観測された高エネルギー放射を説明するものである。

ABSTRACT

The morphologies of detected jets in X-ray binaries are almost as diverse as their number. This is due to different jet properties and ambient media that these jets encounter. It is important to understand the physics of these objects and to obtain information about possible sites suitable for particle acceleration in order to explain the observations at very high energies. Here I present the results obtained from the first relativistic hydrodynamical simulations of jets in high-mass microquasars. Our results allow us to make estimates for the emission originated in different sites of the whole structure generated by the jets. These works represent a first step in trying to obtain a deeper understanding of the physics and emission processes related with jets in high-mass microquasars.

研究の動機と目的

• 複雑な周囲媒体との相互作用を模擬することで、高質量マイクロクェーサーにおける相対論的ジェットのダイナミクスを理解すること。
• 特にジェット-周囲媒体の相互作用によって形成される衝撃波において、効率的な粒子加速に適した物理的場所を同定すること。
• ボウ衝撃波、再収縮衝撃波、およびコッコン領域を含むジェット構造の異なる領域からの非熱的放射を推定すること。
• ジェット出力、源の年齢、周囲密度が、電波から非常に高エネルギーガンマ線にわたる波長域における放射の検出可能性に与える影響を評価すること。
• ジェット活動を示す高質量X線連星の多波長観測を解釈するための物理的根拠を提供すること。

提案手法

• シミュレーションは、高解像度衝撃捕捉法を用いた有限差分コード（Ratpenat）を用い、保存形式で相対論的流体力学方程式を解いている。
• 相対論的効果と熱的放射冷却を含むモデルにより、過圧および低圧状態の両方における現実的なジェットの進化を再現可能である。
• ジェットの伝播は、連星近傍の恒星風領域、衝撃を受けた恒星風／超新星残骸、および一様なISMの3つの主要な環境を対象としている。
• 圧力勾配の急激な変化と乱流が顕著な場所を特定するために、ボウ衝撃波、逆衝撃波、再収縮衝撃波などの衝撃構造を追跡している。
• 加速された粒子が衝撃領域に存在するものと仮定し、磁場と非熱的電子分布をモデル化することで、シンクロtron放射および逆コンプトン放射による放射を推定している。
• ジェット出力（$L_j = 3\times10^{36}$ から $10^{37}$ erg/s）、源の年齢（$10^5$ から $10^6$ yr）、周囲密度を変化させることで、パラメータ依存性を評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量の大きな伴星からの恒星風は、高質量マイクロクェーサーにおけるジェットの形状と安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 連星領域内での再収縮およびケルビン＝ヘルムホルツ不安定性は、ジェットの破壊と粒子加速にどのような役割を果たすか？
• RQ3 衝撃を受けた超新星残骸および銀河間空間とのジェット相互作用は、衝撃構造と放射可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ボウ衝撃波、逆衝撃波、再収縮衝撃波、またはコッコンのうち、どの衝撃領域が電波から非常に高エネルギーガンマ線にわたる波長域で最も強い非熱的放射を発生させるか？
• RQ5 ジェット出力、年齢、周囲密度がどのような条件下で、異なるエネルギー帯域におけるジェット放射が検出可能になるか？

主な発見

• 出力が $L_j \leq 10^{37}$ erg/s のジェットは、恒星風からの非対称な圧力勾配によって引き起こされる流体力学的不安定性のため、連星領域内（$z < 3\times10^{12}$ cm）で破壊される。
• クラスタ状の恒星風と相互作用する際には、特に $L_j = 3\times10^{36}$ erg/s の場合に顕著な質量の取り込みが発生し、ジェットの減速と断面積の拡大が生じる。
• 源の年齢が $t_{\rm src} \sim 10^5$ yr の場合、ジェットは数千年後に衝撃を受けたISM層を貫通できるが、より古い源（$t_{\rm src} \sim 10^6$ yr）では、ISMの衝撃波が壁の役割を果たし、$L_j = 3\times10^{36}$ erg/s のジェットを反射・停止させることがある。
• 連星領域における再収縮衝撃波は、高エネルギー放射の主要な場所であると特定され、サイグヌスX-1 などの系で観測されたX線および非常に高エネルギーガンマ線放射を説明する可能性がある。
• ISM内では、逆衝撃波およびコッコン領域でシンクロtron放射と逆コンプトン放射が支配的であり、ジェット出力と周囲密度が高くなるほど検出可能な放射が増加する。
• モデルは、非熱的放射の検出可能性がジェット出力、源の年齢、周囲媒体の性質に強く依存しており、より高い全放射出力と強い磁場が検出可能性を向上させることを予測している。