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The whole structure of the super-Eddington accretion flow and outflow

Kitaki, Takaaki 京都大学 DOI:10.14989/doctor.k23010

2021.03.23

概要

超臨界降着流とは、古典的限界を超えてブラックホールや中性子星に落ち込むガスの流れをいう。本申請論文は、ブラックホールへの超臨界降着流・噴出流の全体構造を先例のない大計算領域を設定した輻射流体シミュレーションにより明らかにし、これまで知られていなかったユニークな特徴を報告したものである。

超臨界降着流のシミュレーションは、過去にも多くなされてきたものの、それらは一般相対論や磁場の効果の解明を目指し数値計算アルゴリズムの改良に焦点を合わせたものであったため、計算機のパワー不足に起因する計算時間の制限から計算領域は小さく限られ、またあまり現実的とはいえない初期条件や境界条件が採用されてきた。しかし計算結果はこれら人為的条件に強く依存している。申請者はまずこの事実を指摘したうえで、超高光度X線源などの天体を念頭に、現実的な（ 大きな） 初期角運動量と広い計算ボックスを採用した流体計算を実行し、ブラックホールへの超臨界降着流の円盤部（ 降着流） および噴出流の構造を丁寧に調べた。

論文前半（ 第３章） において申請者は、１次元モデルであるスリム円盤モデルは、多次元計算によって得られた超臨界降着流構造をどの程度よく再現しているのか、という問いをたてた。そしてブラックホール質量と質量降着率をパラメーターにした系統的２次元輻射流体計算を、初期角運動量に対応する初期ケプラー回転半径を300倍のシュヴァルツシルト半径と従来より大きく設定して実行した。その結果、200倍のシュヴァルツシルト半径より内側で定常状態が達成され、その領域で円盤の温度や回転速度といった物理量がスリム円盤の予言と良く一致することを確かめた。しかし、対流効果によりガス密度と動径速度の動径座標依存性はスリム円盤と大きく異なることも分かった。また、ブラックホール近傍では質量噴出率が質量降着率に対して無視できるほど小さくなる可能性を指摘した。

この結果は超臨界降着流の定常状態における性質を良く記述できると考えられるものの、初期条件として仮定されている降着物質の角運動量は現実の系よりいまだ大きく、降着流が定常状態へと遷移する段階を含めた大局的な性質の理解にはさらに一歩進んだシミュレーションが必要であることも明らかになった。そこで申請者は論文後半（ 第４章） において、超臨界降着流のどこからどれだけの量のガスが飛び出し、周囲の環境にどれだけのインパクトを与えるかを定量的に調べるため、ケプラー半径を2430シュヴァルツシルト半径というさらに大きく設定して２次元輻射流体計算を行った。その結果、600シュヴァルツシルト半径という過去最大の領域において定常状態を達成し、140シュヴァルツシルト半径の中で発生した噴出流は計算領域の外まで飛んでゆくが、140～230シュヴァルツシルト半径の範囲で発生した噴出流は、一旦円盤表面から飛び出すものの再び円盤表面に戻って来ることを世界で初めて明らかにした。周囲環境への影響として、極軸から15°の方向へ噴出流の力学的エネルギー流束は最も多く通過することも見いだした。また、噴出流の力学的エネルギー光度の、等方的なX線光度に対する比はおよそ0.05-0.08であり、従来の報告（ 数十%以上） より大幅に小さいことを見いだした。この値は超高光度X線源の観測結果とよく一致する。

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