[论文解读] The role of Violent Magnetic Reconnection on the Production of the Large Scale Superluminal Ejections of the Microquasar GRS 1915+105

E. M. de Gouveia Dal Pino, A. Lazarian|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2003

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 6

一句话总结

本文提出，GRS 1915+105 的磁化吸积盘上方日冕中的剧烈磁重联过程，可产生大尺度超光速喷流。该过程涉及在吸积盘-磁层边界处发生磁力线重联，通过一阶费米加速机制使粒子加速至相对论速度，产生谱指数与观测结果一致的同步辐射射电发射（Sν ∝ ν⁻⁰.⁷⁵⁻⁰.⁵），并解释了X射线与射电耀斑状态的特性。

ABSTRACT

We here propose that the large scale superluminal ejections observed in the galactic microquasar GRS 1915+105 during radio flare events are produced by violent magnetic reconnection episodes in the corona just above the inner edge of the magnetized accretion disk that surrounds the central $\sim 10 M_{\odot}$ black hole. The process occurs when a large scale magnetic field is established by turbulent dynamo in the inner disk region with a ratio between the gas$+$radiation and the magnetic pressures $β\simeq 1$, implying a magnetic field intensity of $\sim 7 imes 10^8$ G. During this process, substantial angular momentum is removed from the disk by the wind generated by the vertical magnetic flux therefore increasing the disk mass accretion to a value near (but below) the critical one ($\dot M \sim 10^{19} $ g s$^{-1}$). Part of the magnetic energy released by reconnection heats the coronal gas ($T_c \lesssim 5 imes 10^8 $ K) that produces a steep, soft X-ray spectrum with luminosity $L_X \simeq 10^{39} $ erg s$^{- 1}$, in consistency with observations. The remaining magnetic energy released goes to accelerate the particles to relativistic velocities ($v \sim v_A \sim c$, where $v_A$ is the Alfvén speed) in the reconnection site through first-order Fermi processes. In this context, two possible mechanisms have been examined which produce power-law electron distributions $N(E) \propto E^{-α_E}$, with $α_E = 5/2, 2$, and corresponding synchrotron radio power-law spectra with spectral indices which are compatible with that observed during the flares ($ S_ν \propto ν^{-0.75, - 0.5}$).

研究动机与目标

• 解释微类星体 GRS 1915+105 在耀斑状态期间大尺度超光速射电喷流的起源。
• 研究磁重联在吸积盘-日冕系统中作为粒子加速与喷流形成驱动力的作用。
• 将观测到的X射线与射电谱指数与粒子加速及能量释放的理论模型相协调。
• 确定剧烈磁重联是否可解释 GRS 1915+105 中平台态与耀斑态之间的转变。

提出的方法

• 通过湍流发电机在 β ≈ 1 处生成大尺度磁场，对内吸积盘-日冕区域进行建模，得到 B ≈ 7×10⁸ G。
• 模拟吸积盘-磁层界面处的剧烈磁重联，其中反平行磁力线在 X 区重联。
• 计算能量分配：一部分能量加热日冕等离子体（Tc ≈ 5×10⁸ K），产生软X射线辐射（LX ≈ 10³⁹ erg s⁻¹），其余能量用于加速粒子。
• 在重联区域应用一阶费米加速机制，生成幂律电子分布 N(E) ∝ E⁻⁵/² 和 N(E) ∝ E⁻²。
• 从这些电子分布推导同步辐射射电谱，得到 Sν ∝ ν⁻⁰.⁷⁵ 和 Sν ∝ ν⁻⁰.⁵，与观测到的耀斑谱指数一致。
• 将恢复阶段与亚临界吸积及磁场强度降低的平台态重建相联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRS 1915+105 吸积盘-日冕区域的何种物理机制可在耀斑状态期间产生大尺度超光速喷流？
• RQ2 在吸积盘-磁层边界发生的剧烈磁重联如何导致粒子加速及X射线/射电辐射？
• RQ3 通过重联磁场中的一阶费米加速能否再现观测到的射电谱指数（Sν ∝ ν⁻⁰.⁷⁵⁻⁰.⁵）？
• RQ4 磁风引起的角动量输运在将质量吸积率提升至接近临界值方面起何种作用？
• RQ5 在一次重联事件后，系统如何从耀斑态过渡至平台态？

主要发现

• 在吸积盘-磁层边界发生的剧烈磁重联产生日冕等离子体温度 Tc ≈ 5×10⁸ K，与观测到的软X射线光度 LX ≈ 10³⁹ erg s⁻¹ 一致。
• 重联过程释放约 2×10³⁹ erg s⁻¹ 的磁能，其中显著部分通过一阶费米加速机制使粒子加速至接近光速（v ≈ c）。
• 生成的幂律电子分布指数为 N(E) ∝ E⁻⁵/² 和 N(E) ∝ E⁻²，与耀斑期间观测到的射电谱指数 Sν ∝ ν⁻⁰.⁷⁵ 和 Sν ∝ ν⁻⁰.⁵ 一致。
• 该模型可解释30分钟的X射线/射电周期，以及平台态（低/硬X射线）与耀斑态（软X射线，超光速喷流）之间的转变。
• 磁重联驱动磁风，移除角动量，使吸积盘质量吸积率提升至 ̃10¹⁹ g s⁻¹，接近临界值。
• 每次耀斑后，系统恢复至平台态，磁场强度降低，吸积率下降，与观测到的谱硬化及平坦射电谱一致。