[论文解读] Ergomagnetosphere, Ejection Disc, Magnetopause in M87. I Global Flow of Mass, Angular Momentum, Energy and Current

R. D. Blandford, Noémie Globus|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 82被引用 30

一句话总结

本文提出，事件地平线望远镜在M87中观测到的1.3毫米环并非传统的吸积环面，而是一个磁能主导的能谱磁层，通过电磁力矩从旋转黑洞提取旋转能量，并伴随负能波传播。该机制驱动相对论性喷流和大尺度磁流体动力学（MHD）风，导致质量外流，使喷流准直化，并解释了尽管质量供应率很高，系统却具有低辐射效率的原因。

ABSTRACT

We interpret the 1.3mm VLBI observations made by the Event Horizon Telescope of the black hole in M87. It is proposed that, instead of being a torus of accreting gas, the observed annular ring is a rotating, magnetically-dominated ergomagnetosphere that can transmit electromagnetic angular momentum and energy outward to the disc through a combination of large scale magnetic torque and small scale instabilities. It is further proposed that energy can be extracted by magnetic flux threading the ergosphere through the efficient emission of long wavelength electromagnetic disturbances onto negative energy orbits, when the invariant $B^2-E^2$ becomes negative. In this way, the spinning black hole and its ergosphere not only power the jets but also the ejection disc so as to drive away most of the gas supplied near the Bondi radius. This outflow takes the form of a MHD wind, extending over many decades of radius, with a unidirectional magnetic field, that is collimated by the infalling gas across a magnetopause. This wind, in turn, collimates the relativistic jets and the emission observed from the jet sheath may be associated with a return current. A model for the global flow of mass, angular momentum, energy and current, on scales from the horizon to the Bondi radius, is presented and discussed.

研究动机与目标

• 解释尽管质量供应率很高，M87吸积过程为何具有低辐射效率。
• 解决高邦迪吸积率与低观测亮度之间的矛盾。
• 解释为何喷流功率（6×10⁴³ erg s⁻¹）比环的辐射亮度（10⁴¹ erg s⁻¹）高出600倍，通过识别从黑洞自转中提取能量的机制。
• 提出从视界到邦迪半径的全局质量、角动量、能量和电流流动模型。
• 识别能谱磁层和磁层边界为实现能量与动量传递的关键界面。

提出的方法

• 提出一个磁能主导的能谱磁层，从事件视界延伸至ϖem ∼5×10¹⁵ cm，其中电磁力矩传递角动量与能量。
• 引入在B² − E² < 0的轨道上通过负能电磁波提取旋转能量，实现高效的能量传输。
• 将外流建模为从喷射盘通过离心力驱动的MHD风，由位于ϖed ∼10²⁰ cm处的磁层边界处的下落气体实现准直化。
• 识别四个关键界面：磁层边界、日冕-盘边界、能谱磁层和喷流-包层边界。
• 在不同区域采用无体力和MHD描述，过渡点位于ϖem。
• 在喷流包层中引入电磁耗散，在风中考虑法拉第旋转效应，以供与观测结果对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何M87的喷流功率（6×10⁴³ erg s⁻¹）比观测到的环亮度（10⁴¹ erg s⁻¹）高出600倍？
• RQ2 为何M87的吸积流尽管具有约10²⁵ g s⁻¹的邦迪质量供应率，却表现出极低的辐射效率？
• RQ3 何种机制使得大部分流入气体被喷射为准直的MHD风，同时保持低辐射效率？
• RQ4 在约30至105倍史瓦西半径的尺度上，喷流如何在没有明亮厚环面的情况下实现准直化？
• RQ5 磁层边界在分离内流与外流并实现全局反馈中起何种作用？

主要发现

• 能谱磁层从黑洞自转中提取了约10%的总喷流功率，估计能量约为∼0.15×10⁶³ erg，用于驱动盘风并准直喷流。
• 观测到的1.3毫米环被解释为来自能谱磁层的辐射，而非标准吸积环面，其亮度温度约为6 GK。
• 当B² − E² < 0时，通过负能轨道上的电磁扰动提取能量，实现高效的自转能量传输。
• MHD风携带了大部分在邦迪半径处供应的质量（rBondi ∼250 pc），从而解释了低辐射效率。
• 位于ϖed ∼10²⁰ cm处的磁层边界将向内下落的物质与向外喷射的盘面分隔，其可观测性可能通过法拉第旋转实现。
• 在去投影距离≥5×10¹⁷ cm处观测到的喷流包层是一个电磁边界层，具有广义黏性与电阻耗散，支持粒子加速与射电辐射。