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ジェット形成機構 と粒子加速 機構 最近の話題

ジェット形成機構 と粒子加速 機構 最近の話題. ２０１２年９月６－７日 国立天文台 「巨大ブラックホールからの噴出流」研究会 高原文郎 ( 阪大理宇宙地球 ). Outline. 標準的描像 ジェット形成 の 理論 基本的 問題 最近の進展 中性子 シナリオ 粒子 加速理論 衝撃波加速シナリオの観測的問題 二次加速. 標準的描像. 多周波スペクトル解析と時間変動 内部 衝撃波と衝撃波電子加速 synchrotron + inverse Compton with relativistic beaming

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ジェット形成機構 と粒子加速 機構 最近の話題

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Presentation Transcript

  1. ジェット形成機構と粒子加速機構最近の話題 ２０１２年９月６－７日 国立天文台 「巨大ブラックホールからの噴出流」研究会 高原文郎(阪大理宇宙地球)

  2. Outline • 標準的描像 • ジェット形成の理論 • 基本的問題 • 最近の進展 • 中性子シナリオ • 粒子加速理論 • 衝撃波加速シナリオの観測的問題 • 二次加速

  3. 標準的描像 • 多周波スペクトル解析と時間変動 • 内部衝撃波と衝撃波電子加速 • synchrotron + inverse Comptonwith relativistic beaming • : kinetic power dominated • ramifications and open issues: • seed photons of IC (SSC, BLR, IR torus) • composition: e/p vs e(Bulk Compton problem) • origin of a large spectral break • origin of very short time scale TeV flares • role of recollimation shock • multi-zone emission region • role of stochastic acceleration • role of jitter radiation • hadronic contribution • …

  4. Model fitting Blazar sequence Fossati et al. 1998 KTK 2002

  5. Internal Shock Scenario Γ＋δΓ • Γ－δΓ

  6. Abdo et al. (2010) ΔΓ=1.03 ΔΓ=0.90

  7. sub pc Nalewajko 2012 10-100 pc

  8. ジェット形成機構 • 理論の基本的目標 • バルク加速、運動学的光度、コリメーション • 基本的問題 • 小部分へのエネルギー集中 • 加速機構 • 輻射加速、ファイアボール、MHD加速、EM加速 • 中性子シナリオ • 今後の研究方向

  9. 理論の基本的目標 • バルク加速𝛤 • 運動学的光度 • コリメーション • 構成成分 • 輻射領域では • 観測的にはは下限のみ得られる • 数流束 を決めるにはと熱的成分を決める必要 • 慣性を担うのは陽子かe±か？

  10. 基本的問題 • エネルギー源　ブラックホールアクリーション • 　一粒子あたりの解放エネルギー〜0.1mc2 • 　大きいけれども非相対論的 • 小部分へのエネルギー集中が必要 • < • 小部分とは何か • 表層物質 （通常は脱出速度程度） • 構成成分の分離 輻射、磁場、電子陽電子対、中性子、宇宙線、等々

  11. 加速機構の諸問題（１） • 輻射加速 Phinney (1982) • optically thin e±を≈ 2-3　まで加速可能 • e/p には無効 • 実際には輻射減速の方が問題となる • ファイアボール Meszaros & Rees (1992) • optically thick 𝛤≈𝐸/(𝑀𝑐2) 　まで加速可能 • 希薄波による方向性を持った加速 (Aloy & Rezzolla 2006) • AGNでは熱平衡は不可能　　 • Wien Fireball Model (Iwamoto & F.T. 2002,2004) • e± separation problem (Asano & F.T. 2007) • MeV residual emission?

  12. 加速機構の諸問題（２） • MHD加速　(Blandford &Payne 1982 and many others) • 磁力線を解くことの困難さ（G-S eq.) • 球対称等ほとんどの磁力線形状で低い転換効率 • ディスク起源かBH回転エネルギー（Blandford & Znajek 1977)か • パルサー風加速問題と共通の問題 • 電流閉鎖、境界条件 • 相対論的流れでは磁気張力による閉じ込め効果は電気力で ほとんど打ち消される（自己収束はしない） • EM加速　（Kirk & Mochol 2011) • Charge starved flow もともとはパルサーのStrong wave model (Gunn & Ostriker 1969) • 粒子数は少なくてよいか？

  13. CollimationとCurrent Closure Ω Ω ⊖ B ⊖ ⊕ ⊖ E ⊖ ⊖ ⊖ ⊕ 電場は斥力的 Jp<0Bt<0 ローレンツ力は収束効果 電場は発散効果 Poynting fluxは外向き 電場は引力的 Jp(<,>)0 Bt(<,>)0 Poynting fluxが 外向きであるための 電場構造

  14. 相対論的ＭＨＤシミュレーション • バルク加速の成功例 • Mckinney • 真空極領域への質量注入を手で与える • Komissarov • 外圧(境界の磁力線形状)を手で与える • 希薄波の特殊相対論的効果 • 質量注入と外圧とがバルク加速を決める

  15. Komissarov, Barkov, Vlahakis & Konigl (2007) M.N. 380, 51 right:

  16. 定常軸対称MHD流磁力線方向の力学 • 電磁流体力学条件 • 粒子数保存 • エネルギー保存 • 角運動量保存 • 状態方程式　　　　𝜀, p, nの間の関係式 • エントロピー保存 • Bp(𝜛)を与えれば振舞いが決まる • （結果がG-S方程式を満たせばOK)

  17. 加速が有効であるための条件 • 電場 • 電流は • 遠方では　 • 単位磁束あたりのポインティング流束は 　　これが減少すればよい • これは J が減少する（電流が磁場を横切る）ことと等価

  18. 中性子シナリオToma & Takahara 2012: Ap.J.754, 148 • 磁気圏があるとして、mass loadingがを決める • Goldreich-Julian的ならば、粒子数不足 • 円盤表面からの流れだと準相対論的にとどまる • カスケード対生成の可能性もあるが、莫大な多重度が必要 • バリオンの入射がありえるか？ • 円盤部で加速された陽子の中性子への転換を考える　　　有限寿命の中性バリオン

  19. f_th: accretion efficiency f_a: acceleration efficiency f_n: neutron conversion efficiency

  20. 結果と展望 • 適度な質量注入率が得られる • 中性子の寿命を通じて、ブラックホール質量に依存する • パワーはそれほど大きくはない • 𝛾の小さいものが質量注入に寄与 • ファイアボールというより相対論的粒子群 • パワーはポインティングパワーの可能性大 • 何が𝛺を決めるのか？ • 円盤の回転か、注入粒子の角運動量か？ • Blandford-Znajek機構の論争とも関連 • 粒子加速を考慮した降積円盤モデルの構築

  21. 粒子加速機構 • 衝撃波粒子加速だけで十分か？ broken power law spectrum with cooling break p=2 at low energy; p=3 at high energy can be large enough (actually too large, IT1996) • 直接加速、二次加速、シア加速、、、

  22. Recent blazar observations • objects with extremely hard TeV spectra • 0229 and few others: absence of cooling population • FSRQ • TeV emission : recollimation shock beyond BLR ? • large spectral break at GeV: not a simple cooling break • X-ray spectral features • log-parabolic, broken power law, exponential cutoff,,, • time variation of Mrk421

  23. 1ES 0229+200extreme hard TeV emitter • z=0.1396 • = • = • = • small B (=32μG) • KN regime for TeV • Kaufman et al. 2011

  24. Massaro & companylog-parabolic spectra • X-ray spectral shape of HBLs • stochastic + systematic acceleration

  25. Mrk421 Ushio et al. (2009) Flare Component : broken power law Steady Component: power law with an exp. cutoff

  26. Suggestions for stochastic acceleration • More complicated electron distribution function • absence of cooling population • large spectral breaks • multiple components • flares + steady (quiecent) • internal shock + recollimation shock + diffuse • Stochastic (2-nd order Fermi) acceleration can be large enough if (replaced from ) is as large as 0.01c • Cf. Stawarz & Petrosian (2008)

  27. Stawarz & Petrosian 2008 1 q=2 hard sphere q=5/3 Kolmogorov q=3/2 Kraichnan q=1 Bohm

  28. Stawarz & Petrosian 2008 2 • classical Fermi 2 acceleration • q=2, =, const., • ; σ= - + • pure acceleration: steady flow in the momentum space with : • equilibrium solution for a fixed number of particles with ∝:

  29. Stawarz & Petrosian 2008 3 Relativistic Maxwellian-like

  30. Stawarz & Petrosian2008 4 Hard sphere classical+ pile-up

  31. Stawarz & Petrosian 2008 5 Bohm momentum diffusion dominated + pile-up or escape limited

  32. characteristics of Fermi 2 acceleration • power law spectrum • relativistic Maxwellian like • What if the three time scales are comparable? • low energy ; Acceleration dominated ; flat power law • medium energy ; Balance between acceleration and escape; steeper power law like? • high energy; balance between acceleration and cooling ; Maxwellian like ? • Escape & adiabatic cooling should also work.

  33. 課題 • broken power law spectrumの起源？ • 乱流磁場のスペクトル？ • multi-zone? • エネルギー収支 • あるいはγminはどこまで大きくなれるか？ • 加速電子の磁気乱流への反作用 • 時間変動 • 幾何学的配置 internal shock+recollimationshock+turbulent medium

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