相対論的 MHD ジェットの効率良い加速～解析的研究～

相対論的MHDジェットの効率良い加速～解析的研究～相対論的MHDジェットの効率良い加速～解析的研究～當真賢二（阪大理）共同研究者：　高原文郎（阪大理）理論懇シンポジウム　2012@ 筑波

Outline • GRMHDシミュレーションの発展とその性質 • 定常軸対称、相対論的MHDジェットのenergetics, 加速メカニズム • 定常軸対称、特殊相対論的MHDジェットの数値計算の発展と残る問題 • 効率良い加速を実現する磁力線形状

相対論的ジェットの駆動メカニズム～宇宙物理学の大問題～相対論的ジェットの駆動メカニズム～宇宙物理学の大問題～ • AGNs, GRBs, XRBs, … • BH + accretion flow • 多量のエネルギー注入と　　少量の質量注入が必要 • Thermal or Poyntingenergy ?(AGN jetでは後者が主流) • 磁場や遠心力バリアで質量注入が抑えられる領域がある • 少量のバリオン注入： • 中性子媒介？(KT & Takahara 2012; Levinson & Eichler 2003) • 磁気リコネクション？ • Collimation shock? (McKinney 2005)

GRMHDシミュレーションの例 • 真空を避けるために質量を注入(Mass floor at least at stagnation surface)= 質量・エネルギー保存されない • 初期はゼロ磁気フラックス(Confined within a torus)　⇒　　磁気リコネクション、軸付近に大域的磁場 • より深い解析的理解が必要 • 非熱的過程も重要となりうる (McKinney 06; McKinney & Narayan 07)

中性子を媒介とした質量注入 • GRB jetの質量注入：対消滅 or 中性子拡散 • AGN jetの質量注入：対消滅 or 中性子注入（KT & Takahara 2012）大域的磁場と遠心力によるバリア陽子＋電子中性子磁気乱流による陽子加速⇒中性子生成 cm

定常MHDモデル： energetics • 単極誘導（回転導体＋一様磁場＋導線） • 導体＝降着円盤（あるいは星） • 導線＝磁場 • 回転エネルギー→電場（起電力） • 電流→（Poyntingフラックス）　 • →（構造に依存して）ローレンツ力で粒子エネルギーに転換　 • モノポール構造であればほとんど粒子にエネルギー転換しない(Michel 1969) • 効率良いエネルギー転換を実現　する磁力線構造はどういう形か？ (Goldreich & Julian 1969; Beskin 2011)

定常MHDモデル： energetics • 単極誘導（回転導体＋一様磁場＋導線） • 導体＝降着円盤（あるいは星） • 導線＝磁場 • 回転エネルギー→電場（起電力） • 電流→（Poyntingフラックス）　 • →（構造に依存して）ローレンツ力で粒子エネルギーに転換　 • モノポール構造であればほとんど粒子にエネルギー転換しない(Michel 1969) • 効率良いエネルギー転換を実現　する磁力線構造はどういう形か？定常軸対称なポロイダル磁場の形状

加速（エネルギー転換）のメカニズム • 定常軸対称では、磁力線方向の運動方程式が簡単に積分できる (Bekenstein & Oron 1978; Camenzind 1986) • : MHD条件 • : エネルギーフラックス • 質量フラックス、角運動量フラックスも定数 • で • ⇒ • が磁力線に沿って減少すれば加速する。それはどういう形か？磁束関数

Pioneer: Komissarov+ 2007 • 特殊相対論的 • 軸対称、“定常” • 明確な境界条件 • 外側に壁 • 広い領域の数値計算（ゆっくりとした加速を示した） • 軸付近が早く収束する　⇒　本体の磁力線が広がり(減少)、加速するポロイダル磁力線と固有密度ポロイダル電流線とローレンツ因子

残る問題：エネルギー転換効率 • Cold • 壁： • は　　　非常な遠方でのみ起こる（観測と矛盾） • AGN jet放射：である磁力線（Ψ）に沿ったポインティングフラックスと運動エネルギーフラックスの構造

Lyubarsky (2009; 2010) • 漸近解析(), 外圧 • 遠方での場合 • 加速がsaturateし、は非常に遠方でしか達成されない（Komissarovと同じ結論） • 近傍で効率よく加速することは起こりえないのだろうか？

形状を仮定した場合の解析解 • 磁力線に沿ってを仮定し、ベルヌーイ式を解いた（磁力線間の力の釣り合いは考えていない） • 磁気音速点の近くで急激な加速 • これまでのグローバル計算で仮定した境界条件では、このような磁力線形状にならない。実際、外側も軸付近も境界条件は非自明 (Fendt & Ouyed 04) 磁気音速点

加速する部分の磁力線形状 (KT & Takahara in prep.) • 外部媒質に接した磁力線とその近傍を考え、ベルヌーイ式を解く。 • 型が最も効率が良い • それでも不十分であることがわかった。(see also Vlahakis 04) Light cylinder Light cylinderより内側の形状は大きく影響しない(KT & Takahara in prep.)

加速する部分の磁力線形状 (KT & Takahara in prep.) • さらに効率の良い形を発見。 • (a<b, A>B) Light cylinder Light cylinderより内側の形状は大きく影響しない(KT & Takahara in prep.)

解とそれに対応する外圧構造 のの磁力線急激な減圧でが得られる。この場合、外圧は急激な減圧を経て、ベキ則的な振る舞いを持つ（atmosphere + wind?）（Komissarov, Lyubarskyなどが考えていない境界条件）

まとめ • 定常軸対称MHD jetは、単純な境界条件では、エネルギー転換がsaturateする（観測と矛盾） • 効率良いエネルギー転換が起こる磁力線形状、境界条件を考えた • 外部が非常に希薄であることが必要　⇒　GRBの中心部ではこの種の加速は起きないが、高密度領域からのjet breakoutでは起こる • 全体の構造を解くには、希薄波の存在も考慮する必要がありそうだ

相対論的 MHD ジェットの 効率良い加速 ～解析的研究～