[论文解读] Nonradial and nonpolytropic astrophysical outflows VIII. A GRMHD generalization for relativistic jets

Z. Méliani, C. Sauty+3 more|ArXiv.org|Oct 20, 2005

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 41被引用 24

一句话总结

本文提出了一种半解析的广义相对论磁流体动力学（GRMHD）模型，用于研究从史瓦西黑洞日冕磁层中喷出的相对论喷流，利用赤道面自相似性研究热驱动、磁或热自聚焦的喷流。研究发现，相对论效应增强了热驱动力，但降低了磁自聚焦效率，而喷流聚焦的关键取决于衡量磁旋转器效率的能积分。

ABSTRACT

Steady axisymmetric outflows originating at the hot coronal magnetosphere of a Schwarzschild black hole and surrounding accretion disk are studied in the framework of general relativistic magnetohydrodynamics (GRMHD). The assumption of meridional self-similarity is adopted for the construction of semi-analytical solutions of the GRMHD equations describing outflows close to the polar axis. In addition, it is assumed that relativistic effects related to the rotation of the black hole and the plasma are negligible compared to the gravitational and other energetic terms. The constructed model allows us to extend previous MHD studies for coronal winds from young stars to spine jets from Active Galactic Nuclei surrounded by disk-driven outflows. The outflows are thermally driven and magnetically or thermally collimated. The collimation depends critically on an energetic integral measuring the efficiency of the magnetic rotator, similarly to the non relativistic case. It is also shown that relativistic effects affect quantitatively the depth of the gravitational well and the coronal temperature distribution in the launching region of the outflow. Similarly to previous analytical and numerical studies, relativistic effects tend to increase the efficiency of the thermal driving but reduce the effect of magnetic self-collimation.

研究动机与目标

• 将非相对论MHD喷流模型扩展至广义相对论区域，以研究史瓦西黑洞附近的天体喷流。
• 研究相对论引力和时空曲率如何影响热驱动、磁化喷流的聚焦与加速。
• 评估磁环应力和压力力在相对论喷流聚焦中的作用，特别是在类星体喷流轴心区域的背景中。
• 量化相对论效应对喷流基底附近引力势阱深度和日冕温度分布的影响。
• 将先前的自相似MHD解推广至包含相对论修正项，同时保留控制聚焦的能积分的物理解释。

提出的方法

• 采用赤道面自相似性假设，将GRMHD方程简化为径向和角坐标下的常微分方程组。
• 在无体力极限下求解稳态、轴对称的GRMHD方程，纳入引力、磁场和热压的影响。
• 对磁场、速度和密度分布采用自相似假设，以径向坐标和极角为参数。
• 推导了包含引力、磁环应力、压力梯度、电场力和热力的力平衡方程，适用于弯曲时空。
• 引入一个类似于非相对论情形的能积分，以量化磁旋转器驱动聚焦的效率。
• 通过比较径向和极向力项，评估热驱动力与磁自聚焦的相对贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 相对论修正如何改变黑洞日冕磁化喷流中热驱动力的效率？
• RQ2 在相对论区域，特别是事件视界附近，磁自聚焦在多大程度上仍具有效性？
• RQ3 在广义相对论效应下，引力势阱结构和日冕温度分布如何变化？
• RQ4 磁旋转器效率积分在决定相对论喷流聚焦角中的作用是什么？
• RQ5 半解析GRMHD解能否再现类星体喷流的关键特征，如高洛伦兹因子和窄张角？

主要发现

• 相对论效应增强了喷流基底区域的热驱动力效率，提高了等离子体沿极轴的加速。
• 由于电场力的减速作用和流动惯性的增加，相对论区域的磁自聚焦效应减弱。
• 喷流聚焦的关键取决于一个衡量磁旋转器效率的能积分，与非相对论模型一致。
• 相对论修正定量地改变了引力势阱的深度，影响径向力平衡和等离子体轨迹。
• 靠近喷流喷出区域的日冕温度分布受相对论项影响，尤其在黑洞附近更为显著。
• 该模型成功地将非相对论MHD喷流解推广至广义相对论区域，使其可应用于类星体喷流轴心和伽马射线暴中的相对论喷流。