[論文レビュー] Making black holes visible: accretion, radiation, and jets

Julian H. Krolik|ArXiv.org|Sep 10, 2007

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、磁気流体力学（MHD）的乱流が磁気回転不安定性（MRI）によって駆動されることで、ブラックホール降着円盤の内側領域、特に落下領域を含め、連続的な角運動量輸送が可能であることを示している。これにより、電磁的応力が回転エネルギーを抽出し、相対論的ジェットを駆動する。シミュレーションでは、磁気圧力が降着円盤の支持を支配しており、スペクトル発光に影響を及ぼす。また、大規模な磁場は小規模な磁場から自己生成され、効率的なジェットを発生可能である。

ABSTRACT

With the fundamental stress mechanism of accretion disks identified--correlated MHD turbulence driven by the magneto-rotational instability--it has become possible to make numerical simulations of accretion disk dynamics based on well-understood physics. A sampling of results from both Newtonian 3-d shearing box and general relativistic global disk MHD simulations is reported. Among other things, these simulations have shown that: contrary to long-held assumptions, stress is continuous through the marginally stable and plunging regions around black holes, so that rotating black holes can give substantial amounts of angular momentum electromagnetically to surrounding matter; the upper layers of accretion disks are primarily supported by magnetic pressure, potentially leading to interesting departures from local black-body emitted spectra; and initially local magnetic fields in accretion flows can, in some cases, spontaneously generate large-scale fields that connect rotating black holes to infinity and mediate strong relativistic jets.

研究の動機と目的

• 降着円盤による角運動量輸送と相対論的ジェット駆動の長年の未解決問題を解明すること。
• 現象的α粘性モデルに代わる、MRIによるMHD乱流に基づく物理的根拠を持つメカニズムを提示すること。
• 電磁的応力とエネルギー抽出が、安定円軌道の内側限界（ISCO）および落下領域にまで及続するかを特定すること。
• 磁気圧力と磁場トポロジーが円盤構造、放射スペクトル、ジェット発生効率に与える影響を調査すること。
• 降着流における小規模な磁場から大規模な磁場が自己的に一貫して生成されるプロセスをモデル化すること。

提案手法

• 降着円盤の3次元ニュートン的せん断ボックスおよびグローバルな一般相対性理論的MHDシミュレーションを実施する。
• MHD乱流と角運動量輸送の根本的駆動力として、磁気回転不安定性（MRI）を用いる。
• 応力を磁気的応力（−BrBφ/4π）としてモデル化し、内在的に散逸的ではないが、乱流によってエネルギー散逸を引き起こす可能性を有する。
• ブラックホールスピンパラメータa/Mの関数として、放射効率とジェットポインティングフラックス効率（ηEM）を計算する。
• 垂直方向の円盤構造を解析し、上層部の支持に寄与する磁気圧力の役割を評価する。
• 小規模な磁場の進化を追跡し、エーゴスフィアを貫通する大規模な磁場が自己組織化する条件を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MRI乱流に起因する磁気的応力は、イベントホライズンに近い落下領域でさえ、角運動量輸送を継続的に維持できるか？
• RQ2 磁気圧力がガス圧力と比較して、降着円盤の垂直構造と顕在スペクトルに与える影響は何か？
• RQ3 降着流内の小規模な磁場が、相対論的ジェットを発生可能な大規模な磁場に自己組織化する条件は何か？
• RQ4 電磁的エネルギー抽出効率（ηEM）はブラックホールスピンにどのように依存するか。また、Novikov-Thorneモデルと比較するとどうなるか？
• RQ5 MRI駆動のMHD乱流は、現象的粘性や力自由場の仮定に依存せずに、円盤加熱とジェット形成の両方を説明できるか？

主な発見

• MRI乱流に起因する磁気的応力は、僅かに安定な領域および落下領域にわたり連続的であり、イベントホライズン付近ですら持続的な角運動量輸送を可能にする。
• 降着円盤の上層部は主に磁気圧力勾配によって支持されており、これは局所的ブラックボディスペクトルからの顕著なずれを引き起こす可能性がある。
• 大規模な磁場は、降着流内の小規模な磁場から自発的に自己生成され、エーゴスフィアを貫通して効率的なジェット発生を可能にする。
• スピンパラメータa/M = 0.99のブラックホールでは、ジェットポインティングフラックス効率（ηEM）が最大0.26に達し、Novikov-Thorneの放射効率を著しく上回る。
• MRI駆動の乱流による拡張したエネルギー散逸のおかげで、ブラックホール降着の放射効率は従来の推定値を上回る可能性がある。
• Blandford-Znajek機構は今や、MHDシミュレーションにおいて現実的な初期条件から自己的に実現可能となった。