[論文レビュー] Quasi Periodic Oscillations due to Axisymmetric and Non-Axisymmetric Shock Oscillations in Black Hole Accretion

Sandip K. Chakrabarti, Dipak Debnath+7 more|ArXiv.org|Mar 9, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ブラックホール降着系における準周期的揺動（QPO）が、衝撃波で囲まれた慣性遠心支持境界層（CENBOL）の軸対称的および非軸対称的揺動によって生じることを提案する。モデルは、衝撃波ダイナミクスと非軸対称的スパイラルモードを用いて、QPO周波数、輝度依存性、2:3周波数比を説明する。シミュレーションでは、観測傾斜角が変調を強化することが示され、特に高傾斜系で顕著である。

ABSTRACT

Quasi-Periodic Oscillations (QPOs) are very puzzling since they remain totally unexplained by popular earlier models of accretion disks. The significant rms value in power density spectrum implies that the oscillation involves in the dynamical and non-linear variation of certain region of the accretion disk itself. The nature of the energy dependence implies that the region which produces Comptonized hard tail is also responsible for QPOs. Similarly, the occurrences of the QPOs are strongly related to the jet formation and the spectral states. These features are the natural consequences of the advective disk paradigm that we are advocating. In the mid 90s, some of the present authors first pointed out that the QPOs in all possible types of black holes may be simply due to the oscillations of the CENBOL, the CENtrifugal pressure supported BOundary Layer which is formed in the sub-Keplerian flows around a black hole. This CENBOL could be axi-symmetric as well as non-axisymteric in nature since its boundary, namely, the centrifugally driven shocks could be axi-symmetric or non-axisymmetric. In addition, we pointed out that the transition radius where the flow becomes Keplerian to sub-Keplerian, as well as the location of the inner sonic point can also oscillate and produce the QPOs. Since the shock locations are functions of the specific angular momentum ($λ$) and specific energy (${\cal E}$) of the flow, our model naturally predicts that the QPO frequency should vary with mass, spin, $λ$ and ${\cal E}$. The QPO frequencies with specific ratios, such as, 2:3 must be due to non-axisymmetric effects when the shock switches between the two-armed and the three-armed spirals. We also discuss the possible effects that the disk inclination might have with the line of sight.

研究の動機と目的

• 標準的な降着モデルが説明できないブラックホールX線連星における未解明の準周期的揺動（QPO）の起源を説明すること。
• QPO周波数が輝度に応じて変化し、特にハードスペクトル状態で2:3のような特定の比を示す理由を解明すること。
• 非軸対称的衝撃波とディスクの傾斜角が観測されたQPOをどのように変調するかを調査すること。
• CENBOLの揺動メカニズムが、観測されたQPOのパワー密度スペクトルと輝度傾向を自然に再現できることを示すこと。
• ジェット活動とQPOが、励起降着流のダイナミクスを通じて本質的に関連していることを示すこと。

提案手法

• ブラックホール降着における二成分励起降着流（TCAF）を支配する時間に依存する流体力学方程式の解を用いる。
• 特定角運動量（λ）とエネルギー（ℰ）に依存する、準ケプラーモードの流れにおける衝撃形成と揺動をモデル化する。
• γ = 1.2および質量比 qx/Mc = 1を用いた断熱降着において、非軸対称的衝撃構造（例：二腕および三腕のスパイラル）をシミュレートする。
• 光曲線とパワー密度スペクトルを分析し、QPO周波数が衝撃幾何学的形状と傾斜角にどのように依存するかを抽出する。
• 時間変動する、変調された放射をモデル化するためのNACENBOL（非軸対称的CENBOL）の概念を導入する。
• 視線角が変調深さに与える影響を評価し、影の効果により高傾斜角で最も顕著な効果が現れることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホール降着におけるどの物理的メカニズムが、特に輝度依存的周波数シフトを示す観測されたQPOを説明できるか？
• RQ2 なぜ一部の系で2:3のQPO周波数比が観測されるのか、そしてこのような調和的関係を引き起こす要因は何か？
• RQ3 非軸対称的衝撃構造（例：二腕対比三腕スパイラル）がQPO周波数と振幅にどのように影響するか？
• RQ4 ディスクの傾斜角が観測されたQPO信号を変調する役割を果たすか？
• RQ5 CENBOLと衝撃位置の揺動が、観測されたパワー密度スペクトルとrmsレベルとどのように関連しているか？

主な発見

• QPOは、ディスク振動やケプラーモード周波数ではなく、衝撃波で囲まれた慣性遠心支持境界層（CENBOL）の非線形的動的揺動に起因する。
• 冷却速度の向上に伴い、後衝撃領域が縮小し衝撃波が内側に移動することで、動的時効が短縮され、QPO周波数が輝度に応じて上昇する。
• 2:3のQPO周波数比は、二腕スパイラルモードと三腕スパイラルモードの間の非軸対称的衝撃遷移に起因し、より高い周波数は三腕状態に対応する。
• シミュレーションでは、衝撃構造が0.5〜1周期の間で二腕と三腕の間を交互に変化し、調和的QPOを生成することが示された。
• 高傾斜角で影の効果により変調深さが最大となり、縁側系で強いQPOが観測される理由が説明された。
• NACENBOLモデルは、多周波数QPOとソフト光子捕獲の内在的変動を説明でき、中程度の傾斜角でもハードX線放射が変調されることを示した。