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　　　　　　　𝛤2. 　 　 　 　 　運動学的光度3. 　 　 　 　 　 　コリメーション4. 構成成分

輻射領域では e/p vs e± 　 Bulk Compton Problem 　 　 　　 　 　　　　数流束 　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 　 　 　 <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≈ 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 & Takahara2004 Ap.J. 601, 78

Numerical Model with Coulomb Friction with Background e/p PlasmaK.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 fireball2. Pair outflow in the background

of static e/p plasma is solved3. Coulomb friction and various

radiation processes in a two-fluid situation are properly treated

External Heating ofthe 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 　　　　 　 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 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）

4.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

⊖⊖ ⊖

⊖

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(<,>)0Bt(<,>)0Poynting fluxが外向きであるための電場構造

B

E

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 torus2.　 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

r≤104rg

A: densityB: Mag. Field

r≤102rg

A: densityB: Mag. Field

jet wind

corona

disk

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 (=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

right:

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電流は遠方では　単位磁束あたりのポインティング流束は 　　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 の値（ファイアボール的でもよいか？）𝜎

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 BH Spin への依存性2. ジェットの内部構造 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3. 非定常性、非軸対称性、散逸過程4. 観測的には輻射領域の位置、数流束の決定が重要