[论文解读] Magnetic support, wind-driven accretion, coronal heating, and fast outflows in a thin magnetically arrested disc

Nicolas Scepi, Mitchell C. Begelman+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本研究利用冷却函数调节温度，对不同热厚度的磁力捕获盘（MADs）进行模拟，发现薄MADs在径向上接近开普勒运动，但由湍流磁压垂直支撑。风驱动的角动量输运加速了吸积，增强了低密度风区的耗散，解释了XRB和AGN中的快速喷流与冕状加热现象。

ABSTRACT

Accretion discs properties should deviate from standard theory when magnetic pressure exceeds the thermal pressure. To quantify these deviations, we present a systematic study of the dynamical properties of magnetically arrested discs (MADs), the most magnetized type of accretion disc. Using an artificial cooling function to regulate the gas temperature, we study MADs of three different thermal thicknesses, $h_\mathrm{th}/r=0.3, 0.1$ and $0.03$. We find that the radial structure of the disc is never mostly supported by the magnetic field. In fact, thin MADs are very near Keplerian. However, as discs gets colder, they become more magnetized and the largest deviations from standard theory appear in our thinnest disc with $h_\mathrm{th}/r=0.03$. In this case, the disc is much more extended vertically and much less dense than in standard theory because of vertical support from the turbulent magnetic pressure and wind-driven angular momentum transport that enhances the inflow speed. The thin disc also dissipates a lot of thermal energy outside of $z/r = \pm 0.03$ and a significant fraction of this dissipation happens in mildly relativistic winds. The enhanced dissipation in low-density regions could possibly feed coronae in X-ray binaries (XRBs) and active galactic nuclei (AGN). Wind-driven accretion will also impact the dynamical evolution of accretion discs and could provide a mechanism to explain the rapid evolution of changing-look AGN and the secular evolution of XRBs. Finally, our MAD winds have terminal velocities and mass loss rates in good agreement with the properties of ultra-fast outflows observed in AGN.

研究动机与目标

• 理解磁压偏离标准吸积盘理论时对磁力捕获盘（MADs）结构与动力学的影响。
• 研究风驱动角动量输运在加速吸积并降低薄MADs密度中的作用。
• 探讨低密度区域（特别是风区）中增强的能量耗散如何驱动X射线双星和活动星系核中的冕状发射。
• 确定MAD风是否能再现AGN中超快喷流（UFOs）中观测到的终端速度与质量损失率。
• 考察磁通量饱和、风压与喷流压力之间的相互作用，以调控黑洞附近的磁场强度。

提出的方法

• 使用数值MHD代码模拟三种热厚度的磁力捕获盘（MADs）：$h_{\mathrm{th}}/r = 0.3$、$0.1$ 和 $0.03$。
• 应用人工冷却函数以调节气体温度并维持指定的热标高。
• 分析径向与垂直结构、角动量输运及应力分量（$r\phi$ 与 $\theta\phi$），以分离主导吸积机制。
• 量化空间区域中的能量耗散速率，特别是热核外区域（$|z/r| > 0.03$）及喷流内部。
• 测量风的终端速度与质量损失率，以与AGN中超快喷流的观测结果进行比较。
• 通过比较风+吸积盘压力与喷流压力，评估磁通量饱和机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准理论相比，磁压如何影响薄磁力捕获盘的径向与垂直结构？
• RQ2 MRI驱动的应力（$r\phi$）与风驱动的应力（$\theta\phi$）在MADs中对角动量输运的相对贡献如何？
• RQ3 能量在薄MADs中的何处及如何耗散？这能否解释XRB和AGN中的冕状加热？
• RQ4 薄MADs中风的性质是否能再现AGN中超快喷流（UFOs）中观测到的终端速度与质量损失率？
• RQ5 调控黑洞上磁通量饱和的物理机制是什么？风压与喷流压力如何竞争？

主要发现

• 热厚度比为 $h_{\mathrm{th}}/r = 0.03$ 的薄MADs在径向上接近开普勒运动，但因湍流磁压支撑而具有显著的垂直扩展，与标准盘理论显著偏离。
• 风驱动的 $\theta\phi$ 应力主导角动量输运，导致吸积速度加快且盘密度低于标准理论预测。
• 高达30%的局部能量耗散发生在喷出风中，尤其在 $|z/r| = 0.03$ 以外的低密度区域，促进冕状加热。
• 最薄模型的盘具有比Novikov & Thorne (1973)预测更高的辐射效率，这是由于ISCO内存在额外应力；但因风驱动吸积，效率低于Agol & Krolik (2000)的预测。
• MAD风可达到 $0.2c$ 至 $0.5c$ 的终端速度，质量损失率为每对数半径 $0.1$ 至 $1\,\dot{M}$，与AGN中观测到的超快喷流一致。
• 黑洞上的磁通量饱和源于风+吸积盘压力与喷流压力之间的竞争，热力更强、风更强烈的系统中饱和程度更高。