[论文解读] The jet/disk symbiosis III. What the radio cores in GRS 1915+105, NGC 4258, M81, and Sgr A tell us about accreting black holes

H. Falcke, Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 1998

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种压力驱动、自由膨胀的喷流模型，仅使用极少的自由参数——通过能量等分假设——来解释四个黑洞系统的射电喷流核心：GRS 1915+105、NGC 4258、M81 和 Sgr A*。该模型仅通过喷流功率的缩放，成功解释了喷流功率、尺寸、速度和时间延迟等特性，表明在三个源中喷流与吸积盘的亮度相当，支持恒星级质量与超大质量黑洞之间存在共同的引擎机制。

ABSTRACT

We have derived simplified equations for a freely expanding, pressure driven jet model as a function of jet power and applied it successfully to the radio cores in the black hole candidates GRS 1915+105, NGC 4258, and M81 which are observationally well defined systems, and to Sgr A*. By using equipartition assumptions, the model has virtually no free parameters and can explain all sources by just scaling the jet power. In GRS 1915+105 it also naturally explains the jet velocity and the radio time delay. The jet powers we derive for the radio cores of the first three sources are comparable to their accretion disk luminosities, providing further evidence for the existence of symbiotic jet/disk systems and a common engine mechanism also in low-luminosity AGN and stellar mass black holes. With the exception of Sgr A* an advection dominated accretion flow (ADAF) does not seem to be necessary to explain any of the radio cores which span a large range in luminosity and size, as well as in black hole masses and accretion rate---from Eddington to extreme sub-Eddington. We suggest, however, that the jet model can be used to derive minimum accretion rates and thus find that Sgr A* seems to be truly radiatively deficient---even in a starved black hole model---and that a combination of jet and ADAF model may be one possible solution.

研究动机与目标

• 理解跨越广泛质量范围和吸积率的多样黑洞系统中射电核心的物理起源。
• 检验单一喷流模型是否能在不为每个源引入不同吸积流模型的前提下，解释射电核心的观测特性。
• 评估喷流主导的吸积流（ADAF）模型是否为解释低光度射电核心所必需。
• 确定是否可利用喷流功率推导出最小吸积率，特别是对 Sgr A* 这类休眠源而言。
• 研究从恒星级质量到超大质量黑洞的黑洞系统中，喷流与吸积盘之间的共生关系。

提出的方法

• 构建一个仅依赖喷流功率的简化、自由膨胀、压力驱动的喷流模型。
• 将该模型应用于四个系统：GRS 1915+105（恒星级质量黑洞）、NGC 4258（兆秒脉泽系统）、M81（低光度活动星系核）和 Sgr A*（银河系中心超大质量黑洞）。
• 通过磁能与动能能量等分的假设消除自由参数，仅依赖喷流功率的缩放。
• 将模型预测与观测到的射电核心尺寸、光度、喷流速度和时间延迟进行比较。
• 利用模型从喷流功率推导最小吸积率，并评估辐射效率。
• 通过在广泛光度和质量范围内比较预测与观测结果，评估 ADAF 模型的必要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的、参数极少的喷流模型是否能够解释质量与吸积率差异巨大的黑洞系统中射电核心的特性？
• RQ2 这些系统中观测到的喷流功率是否与吸积盘光度相当，表明存在共生的喷流/吸积盘引擎？
• RQ3 是否必须依赖喷流主导的吸积流（ADAF）模型来解释 M81 和 Sgr A* 等低光度系统的射电核心？
• RQ4 该喷流模型是否允许推导出最小吸积率？这对 Sgr A* 的辐射效率意味着什么？
• RQ5 GRS 1915+105 中观测到的射电时间延迟和喷流速度是否能通过所提出的喷流模型自然解释？

主要发现

• 采用能量等分假设的压力驱动喷流模型，仅通过喷流功率缩放即可解释全部四个射电核心，且无自由参数。
• 对 GRS 1915+105、NGC 4258 和 M81 推导出的喷流功率与它们的吸积盘光度相当，支持喷流/吸积盘共生引擎机制。
• 该模型通过一致的喷流功率缩放，自然解释了 GRS 1915+105 中的喷流速度和射电时间延迟。
• 尽管 M81 和 NGC 4258 的光度较低且吸积率低于爱丁顿极限，但无需引入 ADAF 模型即可解释其射电核心。
• Sgr A* 表现出真正的辐射不足：即使在饥饿黑洞模型下，推导出的最小吸积率仍不足以解释观测到的喷流功率，表明需要结合喷流与 ADAF 模型的联合机制。
• 该喷流模型为跨黑洞系统的最小吸积率推导提供了统一框架，凸显了 Sgr A* 作为真正辐射效率低下源的特性。