[論文レビュー] Super-Eddington black hole accretion: Polish doughnuts and slim disks

M. A. Abramowicz|ArXiv.org|Nov 8, 2004

Mechanics and Biomechanics Studies参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、超Eddingtonブラックホール降着が、2つの異なる降着構造、すなわち放射圧支持型で幾何学的に厚い、フラクタル効果を示すアドベクション優勢な流れ（ポーランドドーナツ）と、中程度の超Eddington降着率を処理するスリムディスクの両方によって生じると提案している。主な貢献は、このような流れが放射的に非効率的であり、強力な外流を必要とせずとも超Eddington降着を維持できることであり、Eddington限界降着が普遍的な上限であるという仮定に挑戦するものである。

ABSTRACT

The theory of highly super-Eddington black hole accretion was developed in the 1980s in Warsaw by Paczynski and his collaborators in terms of "Polish doughnuts", i.e. low viscosity, rotating accretion flows that are optically thick, radiation pressure supported, cooled by advection, and radiatively very inefficient. Polish doughnuts resemble fat tori with two narrow funnels along rotation axis. The funnels collimate radiation into beams with highly super-Eddington luminosities. "Slim disks" introduced later by Abramowicz, Lasota and collaborators, have only moderately super-Eddington accretion rates, rather disk-like shapes, and almost thermal spectra.

研究の動機と目的

• 観測された超Eddington光度が理論的Eddington限界に反するというパラドックスを解消すること。
• 標準的な薄いディスクモデルが ${\dot{M}} > {\dot{M}}_{\rm Edd}$ の場合に幾何的不一致のため無効であることを示すこと。
• ポーランドドーナツとスリムディスクが、極めて超Eddington降着に対して物理的に整合的で実現可能なモデルであることを確立すること。
• 低効率降着が必然的に強力な外流を伴うという広く受け入れられている信念に挑戦すること。
• 超Eddington降着が定常状態ではなく一時的で、フラップ・フロップ現象であると主張し、ブラックホール種子の成長に与える影響を示すこと。

提案手法

• 3次元流体力およびMHDシミュレーションを用いて、ポーランドドーナツとスリムディスクの理論的予測を検証する。
• 幾何学的に厚く放射圧支持型のポーランドドーナツをモデル化するため、運動方程式およびエネルギー収支の完全な3次元式を適用する。
• 標準的な薄いディスクが超Eddington率で失敗することを示すために、臨界条件 $ (H/r)_{\rm max} > \dot{M}/\dot{M}_{\rm Edd} $ を導出する。
• 降着流れにおけるベルヌーイ定数の分析を通じて、正の値が外流を示すという主張を反証する。
• 初期のモデルで用いられた自己相似性の仮定を批判の根拠として用い、境界条件を満たす実際の流れはこのような単純化を満たさないことを示す。
• ソルタンの議論を再検討し、低効率が長期間にわたり持続できないことから、降着における一時的挙動が生じることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Eddington限界に反する超Eddington降着は、どのような物理的構造を通じて可能になるのか？
• RQ2 なぜ標準的な薄いディスクモデルは ${\dot{M}} > {\dot{M}}_{\rm Edd}$ の場合に失敗するのか？ そして、物理的に整合する代替モデルは何か？
• RQ3 低効率降着流れにおいて、正のベルヌーイ定数が強力な外流を生じるとする主張は妥当か？
• RQ4 観測された超Eddington降着の一時的性質を説明するメカニズムは何か？
• RQ5 X線連星やAGNで観測される光度と整合する、ポーランドドーナツおよびスリムディスクの低放射効率はどのように説明できるか？

主な発見

• ポーランドドーナツは幾何学的に厚く、放射圧支持型で、アドベクション冷却型であり、放射的に非効率的で、極めて超Eddingtonの光度を示す。これは、極方位方向の噴流を通じた放射ビームによるものである。
• スリムディスクは中程度の超Eddington降着率（$ \dot{M} \geq \dot{M}_{\rm Edd} $）に対して有効であり、ほぼ熱的スペクトルを生成する。
• 標準的な薄いディスクモデルは $ \dot{M} > \dot{M}_{\rm Edd} $ の場合に破綻する。これは $ H/r \ll 1 $ を仮定しているが、超Eddington降着では $ H/r > 1 $ が必要となるためである。
• 正のベルヌーイ定数が強力な外流を示すという主張は誤りである。境界条件を満たす実際の流れでは、内側および外側端縁部で負のベルヌーイ値を示すことができる。
• 観測された超Eddington光度は、極めて超Eddingtonの降着率を示唆するが、ソルタンの議論により、長期間にわたる低効率状態は不可能であるため、このような状態は一時的でなければならない。
• ブラックホール種子の成長において、$ \dot{M}_{\rm Edd} $ が上限であると仮定する根拠は本質的になく、特に一時的な超Eddington段階が存在する以上、その可能性は否定できない。