ブラックホール降着・噴出流の輻射磁気流体シミュレーション

Report
ブラックホール降着・噴出流の
輻射磁気流体シミュレーション
-新型ジェットと母銀河への影響-
輻射加速
磁気収束
SuperEddington円盤
大須賀 健
(国立天文台)
巨大BHと銀河の共進化における
降着円盤(+ジェット)の役割

巨大BHの成長
 巨大BHはガス降着で急速成長!?
 ブラックホール同士の合体も重要かも。。。

母銀河へのフィードバック
 輻射が星形成に影響
 ガス噴出が星形成に影響
階層的アプローチ
本日のお題
川勝
[降着率]
三種の降着モード
Slim disk
Abramowicz et al. 95
Advection
BH
ADAF/RIAF
Advection
BH
Radiation
BH Standard disk
Optically thick
Optically thin
ADAF/RIAF
Standard
磁場
YES
磁場
YES
磁場
YES
輻射(冷却)
No
輻射(冷却)
YES
輻射(冷却)
YES
輻射(力)
No
輻射(力)
No
輻射(力)
YES
Slim disk
巨大BHのSUPER-EDDINGTON成長
成長時間<宇宙年齢(Z~7)
L/LE
NLS1
1
QSO
Sy
0.1
QSO
成長時間>宇宙年齢(Z~7)
10-2
XRB
成長時間>宇宙年齢(現在)
10-3
SgrA*
102
104
MBH
106
LLAGN
108
輻射ジェットによるM- RELATIONの構
築
Super-Eddington円盤からのWindで掃き集められたガスシェルの速度が、
脱出速度(速度分散)以下ならBHは成長を続けるが、脱出速度を超えると
ガス欠になってBHの成長は止まる。
d
L
 M  R  R   M out v  E
dt
c
L
 M  R  R   2 RR  E t  M  R    2 Rf gas
c
L
 R 2  E  2t 2
c
M(R)
R
2
LE 2
R
2
 R ~      M BH  2
c
t 
こ こ で R ~ と する と

M out v 
LE
c
4


 M BH  1.5 108 
 M
 200km / s 
King 03, Silk & Rees 98
Gas Density
M BH  10 M sun
M input  1000 LE c 2
M BH  100LE c 2
Radiation Energy Density
Ohsuga et al. 2005
L  3LE
輻射流体シミュレーションで、Super-Eddington円盤と
噴出する輻射加速ジェットを再現
Ohsuga 2006
▲質量降着率
■光度
●質量噴出率
●運動量放出率
●運動エネルギー放出率
母銀河からのガス供給率が
30程度であれば、
King(03)のモデルが成立
母銀河からガス円盤へのガス供給率
研究の進展状況
1次元モデル
Shakura & Sunyaev 73; Ichimaru 77
Abramowicz et al. 88; Narayan, Yi 94
輻射流体計算
磁気流体計算
松元 99; 町田+ 00
Stone, Pringle 01
Hawley, Balbus 02
Eggum+ 88; 奥田 02;
大須賀+ 05, 07; 大須賀 06;
川島+ 09 竹内+09
輻射磁気
流体計算
多次元計算
大須賀+ 09
相対論的
磁気流体計算
小出+01; De Villiers+03;
Hawley, Krolik 06
McKinney, Blandford 09
相対論的輻射磁気流体計算
開発中(大須賀, 井上, 富田, 関口)
(Farris et al. 2008)
降着円盤における磁場の役割
(1)磁気回転不安定
円盤
A
B
BH
Bz
A
B
A
B
(1)AからBへ角運動量が輸送される
(2)磁場が増幅される:BzBr, B
降着円盤における磁場の役割
(2)磁気浮力不安定
A
A
BH
Br or B
円盤
Bz
BH
磁場が増幅される:Br, BBz
(3)磁気圧
A
A
B
磁気圧ジェットの原動力
降着円盤における磁場の役割
(4)磁気リコネクション
B
磁気リコネクションのポイント
で効率的なジュール加熱が起こ
る(円盤の加熱メカニズム)
A
A B
A
B
注)
降着円盤業界では現象論的なリコ
ネクションモデルを利用.
精緻なモデルの導入が急務!
降着円盤における輻射の役割
(1)輻射冷却
・円盤温度が下がる
・ガス圧の低下によ
り円盤が薄くなる
円盤
BH
(2)輻射力
A
・円盤を厚くする
・輻射ジェットの原動力
[降着率]
三種の降着モード
Slim disk
Abramowicz et al. 95
輻射磁気流体シミュレー
ションを用いることで、
全種の降着円盤を調べる
ことが可能
Advection
ADAF/RIAF
Advection
Radiation
Standard disk
Optically thick
Optically thin
ADAF/RIAF
Standard
磁場
YES
磁場
YES
磁場
YES
輻射(冷却)
No
輻射(冷却)
YES
輻射(冷却)
YES
輻射(力)
No
輻射(力)
No
輻射(力)
YES
Slim disk
Slim mode(Super-Eddington)
輻射冷却
△
輻射力
○
・幾何学的・光学的に厚い輻射圧優勢円盤が形成
・輻射圧加速ジェットが噴出
http://th.nao.ac.jp/~ohsuga/でダウンロードできます
Standard mode
輻射冷却
○
輻射力
×
・輻射冷却が効き、低温で薄い円盤が形成
・標準円盤モデルの予想に反し、ジェットが噴出
http://th.nao.ac.jp/~ohsuga/でダウンロードできます
RIAF mode
輻射冷却
×
輻射力
×
・輻射冷却が効かず、光学的に薄い高温円盤が形成
・磁気圧加速ジェットが噴出
http://th.nao.ac.jp/~ohsuga/でダウンロードできます
Standard(L/LE<1)
RIAF(L/LE<<1)
カラー(密度場)
Isosurface(outflow)
Slim(L/LE>1)
大須賀、嶺重、森、加藤
2009; PASJ表紙
カラー(輻射場)
Lines(磁力線)
40Rs
輻射磁気流体ジェットモデルの物理
加速は輻射圧
磁気収束
Super-Eddington円盤
運動量放出率は~1.3LE/cで
Kingの条件をおよそ満たす
竹内, 大須賀, 嶺重 in prep.
加速メカニズム
輻射力
ベクトル
輻射流体計算と同様
に、輻射力(>>重力)
で加速している!
収束性の向上
輻射磁気流体計算
より軸に沿っ
た方向に噴出
している
輻射流体計算
放射状に噴出
している
収束メカニズム
ローレンツ力
ベクトル
ジェットを取
り巻く磁力線
=磁気タワー
ローレンツ力で収束
している
(磁気圧と磁気テン
ションは同程度)
まとめ




輻射磁気流体計算コードを駆使し、三種の降着
モードをシミュレートした
巨大BHの成長過程、母銀河へのフィードバックを
正しく評価する第一歩である
新しいジェットモデルを提唱した
 加速メカニズム=輻射力
 収束メカニズム=ローレンツ力
当面の課題(個人的)
 3次元化[with 小川、松元(千葉大)]
 相対論化[with 井上、富田、関口(NAOJ)]
銀河中心領域の新理論構築へ向けて
理解度
研究の進展状況
<10-3pc
輻射磁気流体モデル
(大須賀+ 09)
10-3~1pc
Line-driven wind
(Proga+ 00)
1~100pc
SN乱流モデル(和田+ 02)
降着円盤
円盤風
トーラス
ジェット
BLR
NLR
BLR+円盤風(10-3-1PC領域)

理論計算
Proga+00
 和田コードに輻射の効果
(電離、加熱、line-force)を追加
 とはいっても一番ややこしいところ(輻射輸送)は
完成済み
 今のところ大須賀、和田、須佐で進行中

理論と観測の比較[with 三澤さん(理研)]
トーラス+NLR(1-100PC);

輻射流体計算+SN、ダスト、電離、自己重力
光電離したガス雲
速度~数百km/s
須佐, 和田, 大須賀 in prep.
103cm-3の
ガス雲が数十pc
まで広がる
トーラス
edge-on view
MBH~106Msun

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