[论文解读] Jets in high-mass microquasars

M. Perucho|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 6

一句话总结

本论文首次对大质量微类星体喷流进行了相对论流体动力学模拟，揭示了喷流形态与粒子加速过程在很大程度上取决于与恒星风、激波超新星遗迹及星际介质的相互作用。关键结果表明，双星区域的回流激波以及激波星际介质中的激波是非热粒子加速的主要场所，可解释像天鹅座X-1和SS433等源中观测到的高能辐射。

ABSTRACT

The morphologies of detected jets in X-ray binaries are almost as diverse as their number. This is due to different jet properties and ambient media that these jets encounter. It is important to understand the physics of these objects and to obtain information about possible sites suitable for particle acceleration in order to explain the observations at very high energies. Here I present the results obtained from the first relativistic hydrodynamical simulations of jets in high-mass microquasars. Our results allow us to make estimates for the emission originated in different sites of the whole structure generated by the jets. These works represent a first step in trying to obtain a deeper understanding of the physics and emission processes related with jets in high-mass microquasars.

研究动机与目标

• 通过模拟喷流与复杂周围介质的相互作用，理解大质量微类星体中相对论喷流的动力学行为。
• 识别适合高效粒子加速的物理区域，特别是由喷流-周围介质相互作用形成的激波。
• 估算喷流结构不同区域（包括弓形激波、回流激波和包层区域）的非热辐射。
• 评估喷流功率、源年龄和周围介质密度对射电至甚高能伽马射线波段辐射可探测性的影响。
• 为解释具有喷流活动的大质量X射线双星的多波段观测提供物理解释基础。

提出的方法

• 模拟采用有限差分代码（Ratpenat），求解具有高分辨率激波捕捉方法的守恒形式相对论流体动力学方程。
• 模型包含相对论效应和热辐射冷却，能够真实模拟喷流在过压与欠压状态下的演化。
• 喷流传播被模拟通过三个关键环境：双星附近的恒星风区、被激波的恒星风/超新星遗迹区，以及均匀的星际介质（ISM）。
• 通过追踪激波特征（弓形激波、反向激波和回流激波）以识别强压梯度和湍流区域，这些区域有利于粒子加速。
• 通过假设磁场和非热电子分布，建模加速粒子在激波区域的同步辐射与逆康普顿辐射来估算辐射。
• 通过改变喷流功率（$L_j = 3\times10^{36}$ 至 $10^{37}$ erg/s）、源年龄（$10^5$ 至 $10^6$ yr）和周围介质密度，评估参数依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量伴星的恒星风如何影响大质量微类星体中喷流的形态与稳定性？
• RQ2 在双星区域，回流激波与开尔文-赫尔姆霍兹不稳定性在喷流破坏与粒子加速中扮演何种角色？
• RQ3 喷流与激波超新星遗迹及星际介质的相互作用如何影响激波特性和辐射潜力？
• RQ4 在弓形激波、反向激波、回流激波或包层区域中，哪一个区域在射电至甚高能伽马射线波段产生最强的非热辐射？
• RQ5 在何种条件（喷流功率、年龄、周围介质密度）下，喷流辐射在不同能量波段可被探测到？

主要发现

• 当 $L_j \leq 10^{37}$ erg/s 时，喷流在双星区域内（$z < 3\times10^{12}$ cm）因恒星风引起的不对称压力触发流体动力学不稳定性而被破坏。
• 当喷流与团块状恒星风相互作用时，发生强烈的质量卷吸，尤其在 $L_j = 3\times10^{36}$ erg/s 时，导致喷流减速与截面展宽。
• 对于 $t_{\rm src} \sim 10^5$ yr 的源，喷流在数千年之后可穿透激波星际介质层；但对于更老的源（$t_{\rm src} \sim 10^6$ yr），ISM激波可能形成障碍，使 $L_j = 3\times10^{36}$ erg/s 的喷流发生偏转并停止。
• 双星区域的回流激波被确认为高能辐射的关键来源，可能解释天鹅座X-1等系统中观测到的X射线与甚高能伽马射线辐射。
• 在星际介质中，辐射主要由反向激波和包层区域的同步辐射与逆康普顿过程主导，可探测通量随喷流功率和周围介质密度增加而增强。
• 该模型预测，非热辐射的可探测性强烈依赖于喷流功率、源年龄和周围介质特性，更高的光度分数与更强的磁场可提升可探测性。