三次元相対論的電磁流体シミュレーションで迫るガンマ線バーストジェットの正体

通过三维相对论磁流体动力学模拟了解伽马射线爆发射流的真实本质

基本信息

批准号：
17K14308
负责人：
松本仁
金额：
$ 2.08万
依托单位：
Institute of Physical and Chemical Research
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-01 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

宇宙最大の爆発現象であるガンマ線バーストの正体は、光速の99.995%以上もの速さで運動する超相対論的ジェットだと考えられている。しかし、ガンマ線バーストジェットの力学進化が十分にわかっていないために、ジェットからの放射機構の全容解明には至っていない。特に即時放射期における時間変動性の起源は解明すべき謎の1つである。即時放射の時間変動性の起源としては、相対論的ジェットが駆動される際の中心エンジンの時間変動性に由来するものと、相対論的ジェットが伝搬する際に周囲の媒質との相互作用による流体不安定性の成長に由来するものが考えられている。そこで本研究では、これまで考えらえてこなかったジェット伝搬中にジェット境界で成長するRayleigh-Taylor不安定性の基本的な理論を構築した。ジェットは伝搬する際、周囲の媒質との圧力差によりジェット伝搬軸に対し垂直な動径方向に振動する。振動の復元力である圧力勾配力がRayleigh-Taylor不安定性のドライビングフォースとなる。この圧力勾配力と流体媒質の慣性力がつり合う擬似的な加速度を導入しジェット境界の安定性の線形解析を行うことで、Rayleigh-Taylor不安定性の波数と振動数に関する分散関係式を導き、不安定性が成長する条件、及び解析的な成長率を明らかにした。また、ジェット境界で成長するRayleigh-Taylor不安定性の数値シミュレーションを行い、解析的に得られる成長率とシミュレーション結果から得られる成長率が一致することを確認した。このジェット伝搬中の周囲媒質との圧力差に起因したRayleigh-Taylor不安定性の成長は相対論的ジェットの基本的な性質であるため、ガンマ線バーストジェットだけでなく活動銀河核ジェットの安定性にも影響を与える可能性がある。

伽马射线爆发的真实本质是宇宙中最大的爆炸现象，被认为是一种超层次的喷射，以超过99.995％的光速移动。但是，由于缺乏足够的了解伽马射线爆发喷气机的动态演化，因此尚未阐明来自喷气机的辐射机理的全部程度。时间变异的起源，尤其是在辐射时期，是要阐明的奥秘之一。立即辐射的时间变化的起源被认为是从中央发动机驱动时中央发动机的时间变异性，以及由于与周围介质的相互作用而引起的流体不稳定性的生长，作为相对论射流的传播。因此，在这项研究中，我们构建了雷利 - 泰勒不稳定性的基本理论，该理论在喷射繁殖过程中在射流边界上生长，我们以前尚未考虑过。当射流传播时，周围介质的压力差会在垂直于射流传播轴的径向方向上引起振动。压力梯度力是振动的恢复力，成为雷利 - 泰勒不稳定性的驱动力。通过引入伪加速度，其中压力梯度力和流体介质的惯性力是平衡的，对射流边界稳定性进行了线性分析，并得出了波浪数和雷利 - 泰勒不稳定性的波数和振动频率的分散关系，并揭示了不稳定性和分析速度的生长条件。此外，进行了在射流边界上生长的瑞利 - 泰勒不稳定性的数值模拟，并确认分析获得的生长速率和从模拟结果中获得的生长速率匹配。雷利 - 泰勒在射流传播过程中压力和周围培养基之间的压力差而导致的瑞利 - 泰勒不稳定性的生长是相对论射流的基本特性，它不仅可能影响伽马射线爆发射流，而且还会影响活跃的银河核射流的稳定性。