野村真理子(お茶の水女子大学/国立天文台 D3) 共同研究者:大須賀健(国立天文台),

和田桂一(鹿児島大学)、高橋博之(国立天文台)

活動銀河核における ラインフォース駆動型円盤風の 輻射流体シミュレーション

ジェット

活動銀河核とは

母銀河

活動銀河核(Active galactic nucleus; AGN)ジェットや強力な 輻射を始めとした活動性を示す銀河の中心核部分 巨大ブラックホールとそれを取り巻く降着円盤がエネルギー源 輝線を放射する

ガス雲

降着円盤 (連続光源)

ブラック ホール

ジェット

トーラス(吸収体)

AGNの輻射スペクトルの特徴 (連続光、輝線、吸収)を再現する 現象論的モデル

一部のAGNの輻射スペクトルに青方偏移した吸収線が発見, トーラスでは青方偏移が説明できない ⇒ アウトフロー

Broad absorption line (BAL): CIV, SiIVなどによる吸収線, アウトフロー速度~10,000km s-1

クェーサーの~20%で検出

Ultra-fast outflow (UFO): X線観測で見つかった新種のアウトフロー FeXXV, FeXXVIによる吸収線, アウトフロー速度~0.1c-0.3c 質量放出率は降着率と同等 エネルギー放出率はジェットに匹敵 Seyfert銀河の約半数で検出 UFOの観測例

FeXXV

Tombesi et al. (2011)

活動銀河核吸収線とアウトフロー(1)

coun

ts s

-1 k

eV-1

4 6 8 10 observed energy (keV)

★ 質量降着が減るため、ブラックホールの成長が遅くなる ★ 質量放出、エネルギー放出が大きく、母銀河の星形成に影響する可能性

UFOが注目される理由

UFOの観測事実と理論モデルに課される条件 (1) 約半数のAGNで検出 ⇒ jetのような細い流れではない (2) 速度は光速の10-30% ⇒ ブラックホールごく近傍からのアウトフローではない (3) 鉄の吸収線 ⇒ アウトフローは完全電離状態ではない (4) sub-Eddington光度のAGNから噴出 ⇒ Thomson散乱による力では 飛ばせない

活動銀河核吸収線とアウトフロー(2)

吸収線あり

吸収線なし observer

Elvis (2000)

© Elvis

ブラックホール

降着円盤

円盤風

アウトフローの正体は円盤風だと考えられているが 円盤風の構造や噴出メカニズムは不明 円盤風モデル

ラインフォース駆動型円盤風モデル

X線が強く原子が電離されてしまう

Line forceが働かない

領域AでX線が吸収され Line force が 働くようになる

UVが吸収され Line forceが弱くなる

領域 A 領域 B 領域 C 100Rs以下 100~1000Rs 1000Rs以上

降 着 円 盤 ブラックホール

X線源 UVが最も 強い領域

金属元素の状態 高階電離 中間電離 中間電離

円盤風

輻射 UV，X UV なし

UV光の束縛‐束縛遷移吸収によって受ける力 (ラインフォース)で生じる円盤風 円盤風の加速と電離状態を同時に説明できる sub‐Eddingtonでも加速が可能、噴出場所はブラックホールから離れた領域

ラインフォース駆動型円盤風モデル

X線が強く原子が電離されてしまう

Line forceが働かない

領域AでX線が吸収され Line force が 働くようになる

UVが吸収され Line forceが弱くなる

領域 A 領域 B 領域 C 100Rs以下 100~1000Rs 1000Rs以上

降 着 円 盤 ブラックホール

X線源 UVが最も 強い領域

金属元素の状態 高階電離 中間電離 中間電離

円盤風

輻射 UV，X UV なし

UV光の束縛‐束縛遷移吸収によって受ける力 (ラインフォース)で生じる円盤風 円盤風の加速と電離状態を同時に説明できる sub‐Eddingtonでも加速が可能、噴出場所はブラックホールから離れた領域

波長

UV強度

加速 UV 加速 UV

波長

UV強度

X線

※ X線照射により電子がはぎ取られると、ラインフォースは働かない

金属元素が束縛‐束縛遷移によってUV光を吸収することで運動量を得る

ドップラーシフトにより、下流でも加速が効く

光源

原子核

電子

ラインフォースは密度、速度、電離度に依存する

ラインフォースとは 上流 下流 金属元素

これまでの研究

~10,000km/s

BH 降着円盤

密度

Proga & Kallman (2004) Nomura et al. (2013)

流線

BH 降着円盤

2次元輻射流体シミュレーション Proga et al. (2000), Proga & Kallman (2004) モチベーション: BALを説明する 典型的なパラメーターについてのみ計算

流体要素の軌道計算 Risaliti & Elvis (2010), Nomura et al. (2013) 広いパラメーター領域で、円盤の定常構造を調査

研究目的

1) 広いパラメータ領域で2次元輻射流体シミュレーションを行い、ラインフォース駆動型円盤風の噴出メカニズムと構造を調べる

2) シミュレーション結果の電離度、速度、柱密度をUFOのX線観測と比較する

ラインフォースを含む輻射流体シミュレーション 基礎方程式

(1)質量保存の式

(2)運動方程式

(3)エネルギー方程式

ラインフォースを含む輻射力

輻射加熱・冷却

★ラインフォースを含む輻射力

(Proga et al. 2000) コンプトン加熱/冷却、

電離、再結合による加熱/冷却、 制動放射、輝線放射による冷却

ラインフォース (Stevens & Kallman 1990)

電子散乱による輻射力

電離パラメーターξ , 密度、速度勾配の関数

M

依存性の傾向

密度

速度勾配

ξ

電離パラメータ:

30RS 1500RS r

z

重力源: ブラックホール X線光源: 中心点光源 UV光源: 降着円盤 計算領域

※ 輻射はUVとXの2色に分けて扱う ※ 輻射場を外場のように扱う

計算結果

Proga & Kallman (2004)と同様な結果が得られた

ラインフォースによって 円盤風が噴出

ブラックホール

降着円盤

vr~0.3-0.4c

ラインフォースによる加速で 速度の速い円盤風が噴出

BH近傍の密度の高い円盤風により X線が吸収される ⇒電離度が小さくなる ⇒ラインフォースが働く

密度 電離パラメータ

速度場

UFOが観測される条件: 電離度 を満たす物質の: (1) 最大速度10,000 km s‐1以上, (2) 柱密度1022cm‐2以上

~70°から観測した場合にUFOの特徴が現れる

UFOの観測確率 [(UFOが観測される立体角)/4π] の時間平均は~20%

UFOの観測との比較

UFOの特徴は数10日‐数ヶ月スケールで変動する

UFO UFO UFO UFO

観測角度θ °

視線に沿って電離パラメータと速度、柱密度をUFOの観測と比較

視線

視線に沿って 電離パラメータ 速度、柱密度を調べる

ブラックホール質量及びエディントン比依存性

3.5%

密度

20%

27%

0% 24%

の範囲でUFOの 観測確率は20-30%

UFOは観測されない

UFOは観測されない (観測確率が 非常に小さい)

Summary

2次元輻射流体シミュレーションを行い、ラインフォース駆動型円盤風を調べた。 funnel型の円盤風が噴出し、速度は0.3c-0.4cであった。 シミュレーション結果の電離度、速度、柱密度はUFOのX線観測と合致した。 UFOは の範囲で観測されることを予言した。 UFOの特徴は数10日~数ヶ月で時間変動を示すことを予言した。

密度