[论文解读] Effects of radiative losses on the relativistic jets of high-mass microquasars

A. Charlet, R. Walder+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 146被引用 7

一句话总结

本研究利用参数化辐射冷却的3D相对论流体动力学模拟，探究大质量微类星体中喷流的动力学行为，重点关注天鹅座X-1和天鹅座X-3。辐射损失显著影响喷流结构与不稳定性增长，尤其在天鹅座X-3中，通过加速开尔文-赫姆霍兹不稳定性的发展并改变包层膨胀，而对天鹅座X-1的影响较小，因其冷却较弱。

ABSTRACT

Context. Relativistic jets are ubiquitous in astrophysics. High Mass Microquasars (HMMQs) are useful labs to study such jets, as they are relatively close and evolve over observable time scales. The ambient medium into which the jet propagates is, however, far from homogeneous. Corresponding simulation studies to date consider various forms of a wind-shaped ambient medium but typically neglect radiative cooling and relativistic effects. Aims. We investigate the dynamical and structural effects of radiative losses and system parameters on relativistic jets in HMMQs, from the jet launch to its propagation over several tens of orbital separations. Methods. We use 3D relativistic hydrodynamical simulations including parameterized radiative cooling derived from relativistic thermal plasma distribution to carry out parameter studies around two fiducial cases inspired by Cygnus X-1 and Cygnus X-3. Results. Radiative losses are found to be more relevant in Cygnus X-3 than Cygnus X-1. Varying jet power, jet temperature, or the wind of the donor star tends to have a larger impact at early times, when the jet forms and instabilities initially develop, than at later times when the jet has reached a turbulent state. Conclusions. Radiative losses may be dynamically and structurally relevant at least in Cygnus X-3 case, and thus should be examined in more detail.

研究动机与目标

• 研究辐射冷却对大质量微类星体中相对论喷流的动力学与结构影响。
• 评估喷流功率、温度及伴星风参数如何影响喷流在数十个轨道分离尺度上的演化。
• 确定在天鹅座X-1和天鹅座X-3等大质量微类星体中，辐射损失是否具有动力学重要性。
• 比较两种典型大质量微类星体系统中冷却对喷流不稳定性增长与结构演化的不同影响，其物理参数各不相同。
• 评估绝热模拟在建模大质量微类星体中喷流辐射与动力学时的局限性。

提出的方法

• 采用包含守恒变量与通量的特殊相对论流体动力学（SRHD）方程进行3D相对论流体动力学模拟。
• 基于相对论麦克斯韦-容克斯电子分布引入参数化辐射冷却，主要通过自由-自由辐射实现。
• 使用被动示踪剂区分喷流物质（J=1）与周围介质（J=0），并追踪物质演化。
• 开展参数研究，变化喷流功率、光束温度与恒星风密度，以天鹅座X-1和天鹅座X-3的系统参数为基准。
• 模拟喷流在20至75个轨道分离尺度上的传播，以观测初始不稳定性增长及向湍流状态的转变。
• 对弱相对论喷流采用恒定绝热指数Γ = 5/3，并通过一维对比验证Γ = 4/3的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大质量微类星体的相对论喷流中，辐射损失如何影响开尔文-赫姆霍兹不稳定性增长速率？
• RQ2 鉴于天鹅座X-1与天鹅座X-3在风场与光度特性上的差异，辐射冷却在两者中的相对重要性如何？
• RQ3 喷流功率、光束温度与恒星风密度的变化如何影响喷流早期演化与不稳定性发展？
• RQ4 辐射冷却在多大程度上改变了外层包层与内层包层的体积比以及光束的时间演化？
• RQ5 当辐射冷却显著时，绝热模拟能否准确再现喷流的动力学与结构？

主要发现

• 由于更强的恒星风、更高的光度与更短的轨道分离，辐射冷却在天鹅座X-3中具有动力学与结构上的重要性，而在天鹅座X-1中则不显著。
• 冷却加速了开尔文-赫姆霍兹不稳定性增长，促进光束破坏与包层扩张。
• 在天鹅座X-3中，辐射损失降低了外层包层与内层包层的体积比，改变了喷流形态与能量分布。
• 当冷却存在时，光束体积的时间依赖性表现出不同的幂律演化，表明喷流结构发生根本性改变。
• 对喷流功率与风参数的敏感性在不稳定性初始阶段最为显著，而在湍流阶段逐渐减弱。
• 在无辐射冷却的后处理模拟中可能产生不准确的辐射预测，尤其在冷却强烈的系统（如天鹅座X-3）中。