Transcript AGN - 国立天文台
AGNジェット形成理論 ２０１１年９月２６－２７日 国立天文台 「多波長放射で探る活動銀河中心核ジェット」 高原文郎(阪大理宇宙地球) Outline 1. 理論の基本的目標 バルク加速、運動学的光度、コリメーション 2. 基本的問題 小部分へのエネルギー集中 3. 加速機構 輻射加速、ファイアボール、MHD加速、EM加速 4. 最近の一般相対論的MHDシミュレーションの 結果の見方 Mckinney と Komissarov の研究 5. 今後の研究方向 理論の基本的目標 1. バルク加速 2. 運動学的光度 3. コリメーション 𝛤≈ 𝟏𝟎 − 𝟏𝟎𝟎 𝑳 ≈ 𝑳𝑬𝒅𝒅 𝜽𝒋𝒆𝒕 ≈ 𝟏 𝛤 ≈ 𝟎. 𝟏 4. 構成成分 輻射領域では 𝑳𝒌𝒊𝒏 ≥ 𝑳𝑷𝒐𝒚 e/p vs e± Bulk Compton Problem 数流束 𝜸𝒎𝒊𝒏 の不定性 基本的問題 1. エネルギー源 ブラックホールアクリーション 一粒子あたりの解放エネルギー 〜0.1mc2 大きいけれども非相対論的 2. 小部分へのエネルギー集中が必要 𝐿𝑡𝑜𝑡 = 𝜂 𝑀𝑎𝑐𝑐 𝑐 2 𝐿𝑘𝑖𝑛 = 𝛤 𝑀𝑗𝑒𝑡 𝑐 2 𝜂 𝑀𝑗𝑒𝑡 < 𝑀𝑎𝑐𝑐 ≈ 10−2 ∼ 10−3 𝑀𝑎𝑐𝑐 𝛤 3. 小部分とは何か 表層物質 （通常は脱出速度程度） 構成成分の分離 輻射、磁場、電子陽電子対、中性子、宇宙線、等々 加速機構の諸問題（１） 1. 輻射加速 Phinney (1982) optically thin e±を𝛤≈ 2-3 まで加速可能 e/p には無効 実際には輻射減速の方が問題となる 2. ファイアボール Meszaros & Rees (1992) optically thick 𝛤≈𝐸/(𝑀𝑐2 ) まで加速可能 希薄波による方向性を持った加速 (Aloy & Rezzolla 2006) AGNでは熱平衡は不可能 Wien Fireball Model (Iwamoto & F.T. 2002,2004) e± separation problem (Asano & F.T. 2007) MeV residual emission? Aloy & Rezzolla (2006) Ap.J.L.640, L115 Iwamoto & Takahara 2004 Ap.J. 601, 78 Numerical Model with Coulomb Friction with Background e/p Plasma K.Asano & F.Takahara, Ap.J 655, 762 (2007) K.A., I.S. & F.T, Ap.J.S. 168,268 (2007) 1. How to generate a fireball 2. Pair outflow in the background of static e/p plasma is solved 3. Coulomb friction and various radiation processes in a twofluid situation are properly treated External Heating of the Background Plasma Pair and Photon Generation Pair and radiation Outflow K.Asano & F.T. (2007) Ap.J. 655, 762 A powerful outflow of e± can be generated temperature is relatively low pair annihilation is not significant because of strong radiative acceleration However, photon luminosity is much larger (60 times) than the kinetic power required heating rate is rather high so that the background plasma will be unbound (consistent with some hot accretion models) 加速機構の諸問題（２） 3. MHD加速 (Blandford & Payne 1982 and many others) 磁力線を解くことの困難さ（G-S eq.) 球対称等ほとんどの磁力線形状で低い転換効率 𝛤 ≈ 𝜎01/3 𝐿𝑘𝑖𝑛 ≈ 𝜎0 −2/3 𝐿𝑃𝑜𝑦 ディスク起源かBH回転エネルギー（Blandford & Znajek 1977)か パルサー風加速問題と共通の問題 電流閉鎖、境界条件 4. 相対論的流れでは磁気張力による閉じ込め効果は電気力で ほとんど打ち消される（自己収束はしない） EM加速 （Kirk & Mochol 2011) Charge starved flow もともとはパルサーのStrong wave model (Gunn & Ostriker 1969) 粒子数は少なくてよいか？ CollimationとCurrent Closure Ω B ⊖ ⊖ E ⊖ ⊖ Ω ⊖ ⊖ ⊕ ⊕ 電場は斥力的 Jp<0 Bt<0 ローレンツ力は収束効果 電場は発散効果 Poynting fluxは外向き 電場は引力的 Jp(<,>)0 Bt(<,>)0 Poynting fluxが 外向きであるための 電場構造 最近のGRMHDシミュレーション Mckinney and company 1. 初期条件の明確化 equilibrium torus 6rg<r<42rg H/R≈0.26 Pgas ≫ Pmag poloidal field confined in the torus 2. Floor Model 真空を避けるため質量注入を行う 再結合で磁場が真空に染み出す 軸近傍に相対論的ジェットが形成 結果はすべて数値的誤差のように見えるが、 実際の物理過程を示唆していると考えられる McKinney (2006) M.N. 368, 1561 jet wind corona disk r≤104rg A: density B: Mag. Field r≤102rg A: density B: Mag. Field 最近のGRMHDシミュレーション Komissarov and company 1. 境界条件の明確化 定常軸対称問題 rigid wall r ∝ 𝑧 𝛼 (𝛼=1-3) inlet で poloidal current を注入 2. 結果の物理的解釈 Bpの振舞いが結果を決めている 外圧（rigid wall）の存在が重要 Komissarov, Barkov, Vlahakis & Konigl (2007) M.N. 380, 51 𝑙𝑒𝑓𝑡: 𝛤𝜌 𝑤𝑖𝑡ℎ 𝐵 𝑓𝑖𝑒𝑙𝑑 right: 𝛤 𝑤𝑖𝑡ℎ 𝑗 𝑓𝑖𝑒𝑙𝑑 Komissarov, Barkov, Vlahakis & Konigl (2007) M.N. 380, 51 mass flux, 𝛺, energy flux per unit magnetic flux Evolution of 𝛤 and 𝜋r2Bp/𝛹 定常軸対称MHD流 磁力線方向の力学 電磁流体力学条件 粒子数保存 エネルギー保存 角運動量保存 状態方程式 𝜀, p, nの間の関係式 エントロピー保存 Bp(𝜛)を与えれば振舞いが決まる （結果がG-S方程式を満たせばOK) 加速が有効であるための条件 電場は 𝜛𝛺 𝐸＝ 𝐵𝑝 𝑐 電流は 遠方では 𝐵𝜑 ≈ 𝜛𝛺 − 𝐵𝑝 𝑐 単位磁束あたりのポインティング流束は 𝜛𝛺 2 𝐵𝑝 4𝜋𝑐 これが減少すればよい これは J が減少する（電流が磁場を横切る）ことと等価 今後の研究方向 1. 初期条件・境界条件の決め方 軸付近の磁場と物質はどのように決められるか dipole vs quadrupole インジェクション（Loading）の起こり方 初期状態の𝜎の値（ファイアボール的でもよいか？） 十分な量の電流は供給できるか アクリションディスクの構造との関係 RIAF vs Standard Disk 2. ジェットの内部構造 3. 4. BH Spin への依存性 必ずしも Fast Spine + Slow Sheath とは限らない どの位置でバルク加速が終了するか 閉じ込め領域と希薄波加速領域 非定常性、非軸対称性、散逸過程 観測的には輻射領域の位置、数流束の決定が重要