大局的3次元磁気流体数値実験に基づく降着円盤理論の再構築

基于全局三维磁流体动力学实验重建吸积盘理论

基本信息

批准号：
01J11092
负责人：
町田真美
金额：
$ 1.28万
依托单位：
Chiba University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-01J11092/
关键词：
降着円盤ブラックホール磁気流体力学 ADAF

项目摘要

白鳥座X-1のようなブラックホール候補天体では、光学的に厚い標準降着円盤モデルで説明できるソフトステートと光学的に薄いADAFモデルで説明できるハードステート等の状態が観測されている。ハードステートの特徴の一つとしてX線強度の激しい時間変動がある。このX線強度変動はフラクタル的な分布を示す部分と、X線ショットと呼ばれるピーク部分で構成されていることが知られている。このようなブラックホール候補天体に特徴的なX線の振る舞いを説明する目的で、円盤全体を含み鉛直方向重力も考慮した大局的な3次元散逸的磁気流体(MHD)数値実験を行った。初期条件として、弱い方位角方向磁場に貫かれた回転平衡トーラスを考える。中心ブラックホールの重力として擬ニュートンポテンシャルを採用することで一般相対論的効果を取り入れている。トーラスは半径50r_g(r_gはシュバルツシルト半径)で圧力最大となるような一定の角運動量を持ち、2r_gに吸い込みの境界条件を採用して数値実験を行った。この結果、円盤内に発達した磁気回転不安定性による角運動量輸送のために、中心天体への質量降着が効率的に生じた。この時質量降着は定常に起きるのではなく、間欠的に生じること、質量降着は渦状に生じることがわかった。中心近傍への質量降着によって、ソフトX線が急激に増光する。ガスと磁場は凍結しているため、渦状の密度分布に沿って双対称渦状磁場(BSS)が卓越し、渦状密度腕内には強い電流シートが形成される。密度の塊が中心ブラックホールに吸収されると、ソフトX線は急激に減光する。電流シート内の密度が下がると磁気リコネクションが発生し、磁気エネルギーを熱として解放するため、X線強度は突然増加し、指数関数的に減光する。この一連の過程で観測されるX線ショットを説明することができる。これらの結果をまとめてApJ誌に発表した(町田、松元2003)。更に、質量降着率のパワースペクトル密度(PSD)を計算してみると、低振動側ではPSDはf^<1.5>に比例し、観測を再現することがわかった。

在天鹅座X-1等黑洞候选天体中，观测到了可以用光学厚标准吸积盘模型解释的软态和可以用光学薄ADAF模型解释的硬态等状态。硬态的特征之一是X射线强度的剧烈时间波动。已知该X射线强度波动由呈现分形分布的部分和称为X射线发射的峰值部分组成。为了解释此类黑洞候选天体的特征X射线行为，我们进行了包括整个圆盘并考虑垂直重力的全局三维耗散磁流体动力学（MHD）数值实验。作为初始条件，我们考虑一个被弱方位磁场穿透的旋转平衡环。通过采用准牛顿势作为中心黑洞的引力来纳入广义相对论效应。环面具有恒定的角动量，使得压力在半径 50r_g（r_g 是史瓦西半径）处最大，并且使用 2r_g 处的吸力边界条件进行了数值实验。结果，由于圆盘内产生的磁旋转不稳定性导致的角动量传输，质量吸积有效地发生在中心物体上。这时，人们发现质量吸积并不是持续发生的，而是间歇性的，并且质量吸积以螺旋的方式发生。由于中心附近的质量吸积，软 X 射线突然变亮。由于气体和磁场被冻结，沿着螺旋密度分布，双对称螺旋磁场（BSS）占主导地位，并且在螺旋密度臂内形成强电流片。当致密质量被中心黑洞吸收时，软X射线迅速变暗。随着电流片内密度的降低，会发生磁重联，以热量的形式释放磁能，导致 X 射线强度突然增加和指数变暗。在这一系列过程中观察到的 X 射线镜头可以得到解释。这些结果被总结并发表在 ApJ 上（Machida 和 Matsumoto 2003）。此外，当我们计算质量吸积率的功率谱密度（PSD）时，我们发现在低振动侧，PSD与f^<1.5>成正比，再现了观测结果。