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。

伽马射线暴是宇宙中最大的爆炸现象，被认为是超相对论性喷流，其运动速度超过光速的 99.995%。然而，由于伽马射线爆发喷流的动力学演化尚未完全了解，因此喷流辐射的完整机制尚未完全阐明。特别是，直接辐射阶段时间变化的起源是有待解决的谜团之一。瞬时辐射的时间变化来自于相对论性射流被驱动时中央发动机的时间变化，以及当相对论性射流传播时与周围介质的相互作用。据信，这种现象源于流体不稳定性的增长。。因此，在这项研究中，我们构建了射流传播过程中射流边界处增长的瑞利-泰勒不稳定性的基本理论，这是迄今为止尚未考虑到的。射流传播时，由于与周围介质的压力差，在垂直于射流传播轴的径向方向上产生振动。压力梯度力作为振动的恢复力，成为瑞利-泰勒不稳定的驱动力。通过引入平衡压力梯度力和流体介质惯性力的伪加速度，并对射流边界的稳定性进行线性分析，推导出瑞利波数和频率的色散关系表达式-泰勒不稳定性。定性增长和分析增长率的条件得到澄清。我们还对射流边界处增长的瑞利-泰勒不稳定性进行了数值模拟，并确认了解析获得的增长速率与模拟结果获得的增长速率相匹配。由于喷流传播过程中与周围介质的压力差引起的瑞利-泰勒不稳定性的增长是相对论性喷流的基本性质，因此它不仅影响伽马射线爆发喷流的稳定性，而且还影响活跃星系核喷流的稳定性。一个影响。