[论文解读] Ratio of kinetic luminosity of the jet to bolometric luminosity of the disk at the "cold" accretion onto a supermassive black hole

S. V. Bogovalov|arXiv (Cornell University)|May 9, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 6

一句话总结

本文提出，在超大质量黑洞的‘冷’吸积过程中，喷流的动能光度可因磁场驱动的角动量高效传输而超过吸积盘的总辐射光度。基于Shakura-Sunyaev α-盘模型，推导出光度比主要取决于盘内磁压与喷流基底磁压之比，成功预测了M87和Sgr A*中观测到的喷流光度。

ABSTRACT

Disk accretion onto black holes is accompanied by collimated outflows (jets). In active galactic nuclei (AGN), the kinetic energy flux of the jet may exceed the bolometric luminosity of the disk a few orders of magnitude. This phenomena can be explained in frameworks of so called "cold" disk accretion when the only source of energy of AGN is the energy released at the accretion. The radiation from the disk is suppressed because the wind from the disk carries out almost all the angular momentum and the gravitational energy of the accreted material. In this paper, we calculate an unavoidable radiation from the "cold" disk and the ratio of the kinetic energy luminosity of the outflow to the bolometric luminosity of the accretion disk around a super massive black hole in framework of the paradigm of the optically thick alpha-disk of Shakura \& Sunyaev. The ratio of the luminosities is defined predominantly by the ratio of the magnetic field pressure inside the disk to the magnetic field pressure at the base of the wind. The obtained equations applied to the jet of M87 demonstrate good agreement with observations. In the case of Sgr A*, these equations allow us to predict the kinetic energy flux from the disk around Galactic SMBH.

研究动机与目标

• 解决类星体中喷流动能光度超过吸积盘总辐射光度的悖论，如M87和Sgr A*。
• 研究‘冷’吸积的动力学，其特征为由于风驱动的角动量输运导致辐射被抑制。
• 确定喷流动能光度可超过吸积盘总辐射光度的物理条件。
• 检验Shakura-Sunyaev α-盘模型在高效率喷流产生背景下的有效性。
• 基于观测到的盘光度和磁场结构，预测银河系中心外流的动能光度。

提出的方法

• 基于光学厚盘假设，利用Shakura-Sunyaev α-盘模型，推导喷流动能光度与盘总辐射光度之比。
• 将光度比表示为盘内磁压与喷流基底磁压之比（记为θ）的函数。
• 将推导出的方程应用于M87和Sgr A*的观测数据，检验其与观测光度的一致性。
• 利用黑洞的基本平面，通过观测到的X射线和射电流量估算吸积率与盘光度。
• 利用模型导出的幂律标度，从观测到的总辐射光度估算吸积率ṁ。
• 基于ṁ和θ评估‘冷’吸积与标准Shakura-Sunyaev吸积模式之间的过渡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在‘冷’吸积框架下，类星体中喷流的动能光度是否可超过吸积盘的总辐射光度？
• RQ2 在盘辐射可忽略不计的情况下，喷流动能光度与盘总辐射光度之比由什么决定？
• RQ3 盘内部与喷流基底之间的磁压比（θ）如何调控‘冷’吸积中的光度比？
• RQ4 ‘冷’吸积模式在多大程度上能解释M87和Sgr A*中观测到的喷流功率？
• RQ5 在何种吸积率下，‘冷’吸积向标准Shakura-Sunyaev吸积过渡？

主要发现

• 喷流动能光度与盘总辐射光度之比主要由盘内磁压与喷流基底磁压之比（θ）决定，θ越大越有利于强喷流产生。
• 对于M87，模型预测的光度比与观测结果高度一致，验证了高能喷流框架的有效性。
• 对于Sgr A*，模型预测在盘总辐射光度为10³⁶ erg/s时，喷流动能光度为4.4 × 10³⁹ erg/s，超过盘光度约4400倍。
• 模型预测在低吸积率（ṁ < 10⁻²）下，‘冷’吸积主导，大部分引力能被输运至喷流而非辐射。
• ‘冷’吸积向标准Shakura-Sunyaev吸积的过渡发生在ṁ ≈ 0.01–0.1之间，与类星体亮度和外流活动的观测过渡一致。
• 估算的θ随ṁ增加而提高两个数量级，与MRI发电机模拟和观测约束一致。