磁場反転ジェットの伝搬ダイナミクス
松本仁
福岡大学 爆発天体研究所
共同研究者：政田洋平（愛知教育大学）
滝脇知也（国立天文台）

相対論的ジェット
Cygnus A: radio( 5 GHz )活動銀河核ジェット

相対論的ジェット：

ガンマ線バースト
活動銀河核ジェットマイクロクエーサー

ローレンツ因子：本研究のテーマ
宇宙ジェットの未解決問題- 駆動メカニズム：BZ機構？
- 加速（慣性の増加が困難の原因）- 収束・安定性- 放射の時間変動性：フレア・即時放射
相対論的ジェット
- 活動銀河核ジェット：γ~ 30- ガンマ線バースト：γ~ 100
加速メカニズムは何か？

GRMHD simulations for launching jet
Liska+ 18

Nakamura+ 18⇠ 7 at z = 100 rg⇠ 2 at z = 100 rg

Poynting-flux-dominated jets with mildly relativistic velocity are launched.
Further acceleration of the jet is necessary during the propagation of jet.

ジェット加速のシナリオ- 磁気散逸 (cf. ideal MHD process (Komissarov 09))
- in situ energy conversion- 磁気エネルギー→内部エネルギー→運動エネルギー

膨張

Idea: striped jet (Drenkhahn+ 02, Giannios & Uzdensky 19)
stripped jet

ジェット駆動：BH or 降着円盤の回転エネルギーを磁場を介して引き抜きジェットの運動エネルギーに転化

magnetic field

磁場反転ジェット

accretion disk
Giannios & Uzdensky 19

BH

ジェット半径の膨張に伴う加速
z1(a) Side View

z3z2

Matsumoto & Masada 2013

un-shocked
ambient medium

Zcontact
discontinuity

shockedambient medium

reverse shockbowcocoonP3s h ock(forward shock)

P2
P1

Jet

reconfinement
regioncontact
discontinuity (CD)ジェットヘッド

単位質量あたりのエンタルピー：

相対論の運動方程式：
ベルヌーイ方程式：

一定

ジェット半径が膨張し、hが下がることで加速ジェット加速のシナリオ- 磁気散逸 (cf. ideal MHD process (Komissarov 09))
- in situ energy conversion- 磁気エネルギー→内部エネルギー→運動エネルギー

膨張

Idea: striped jet (Drenkhahn+ 02, Giannios & Uzdensky 19)
stripped jet

ジェット駆動：BH or 降着円盤の回転エネルギーを磁場を介して引き抜きジェットの運動エネルギーに転化

magnetic field

磁場反転ジェット

accretion disk
Giannios & Uzdensky 19

BH

Polar field reversals in the Sun
Magnetic Butterfly Diagram

Hathaway 15

longitudinally averaged radial magnetic field obtained from instruments on Kitt Peak and SOHO

11-year cycle for the polarity of the magnetic field in the sun

Field reversals in accretion disks(Brandenburg+ 95)

Butterfly Diagram

Shi+ 10

proto-stellar disk
local simulation: shearing box
10 orbital periods

Machida+ 13

3D global simulation(e.g., Nishikori+ 06, Machida+ 13)

Mizuta+ 18

global GRMHD simulation(Siegel+ 18, Mizuta+ 18)

Alternating polarity are generated
by MHD turbulence.

ジェットの磁場反転
ジェット

ジェット

降着円盤のダイナモ由来ジェット

磁気リコネクションにより磁気エネルギーが散逸することが期待されるジェット加速のシナリオ- 磁気散逸 (cf. ideal MHD process (Komissarov 09))
- in situ energy conversion- 磁気エネルギー→内部エネルギー→運動エネルギー

膨張

Idea: striped jet (Drenkhahn+ 02, Giannios & Uzdensky 19)
stripped jet

ジェット駆動：ジェットの磁場反転

BH or 降着円盤の回転エネルギーを磁場を介して引き抜きジェットの運動エネルギーに転化

反復
降着円盤の磁場反転

accretion disk

BH

磁場反転
ジェット

Giannios & Uzdensky 19

相対論的電磁流体シミュレーションを用いて磁場反転ジェットのダイナミクス（加速されるか）を調べる

基礎方程式
mass conservation↵@↵ (⇢u ) = 0
energy-momentum conservation

2↵@↵ (⇢h + b )u u✓◆

1 2 ↵b b + P+ b ⌘2
↵Maxwell’s equations↵@↵ (u b=0↵u b )=0- cylindrical coordinate system- ideal MHD- axisymmetric: @ = 0- relativistic HLLD (Mignone+ 09)- pure toroidal field: only jet- HLLD-Upwind-CT (in prep.)(cf. Minoshima+15)磁場反転ジェット：計算設定⇢jet = 0.01, vz = vjet = 0.99c,Pjet,0 = 2.2 ⇥ 10

4jet ⇠ 7.09

Mjet = 6, Mrela,jet = M jet / sound = 41.95

r/rjet軸対称15cold jet

自由境界⇢amb = 1, Pamb = Pjet,0 , vamb = 0

自由境界
100

r=z/rjetz = rjet /40-152⌧rev = 1, 10, 1, 0.1
時間ユニット:rjet/c

jet = bm2/(⇢h)jet = 0.41

動径方向に磁気圧・磁気張力と釣り合うようにガス圧を設定

b /bm

jet = 2Pjet,0 /bm = 0.1

10.8
0.6
0.4
0.2
00

磁場配位

0.2 0.4 0.6 0.8
r/rjet1磁場の比較

- nose cone in model A- We can not find strip pattern in model D.

magnetizationの比較
b2=
h=1+2
⇢hc

P1 ⇢c2Magnetic energy is dissipated at the interface of field reversals.

Lorentz factorの比較

pure hydro jetと似た振る舞い- energy conversion from magnetic energy into thermal energy- acceleration at the reconfinement region
thermal energy - - > kinetic energy

ジェット半径の振動に伴う加速
z1(a) Side View

z3z2

Matsumoto & Masada 2013

un-shocked
ambient medium

Z

contact
discontinuity

shockedambient medium

reverse shockbowcocoonP3s h ock(forward shock)

P2
P1

Jet

reconfinement
regioncontact
discontinuity (CD)ジェットヘッド

単位質量あたりのエンタルピー：

相対論の運動方程式：
ベルヌーイ方程式：

一定

ジェット半径が膨張し、hが下がることで加速γmax

Lorentz factorの比較- Bernoulli equation:(1 + ) = max ,710= 0.412

加速領域：
磁場反転の周期 x c の長さの周期で出現

108⌧rev = 0.1 モデル：
6周期性の消失4← pure hydro jetτi = 0.1
τi = 1
τi = 10τi = ∞

2001020304050z

時間変動性の起源？
⌧rev = 10 モデル
6070

8090 100long GRB: 数十ミリ秒
AGN jet: 数日

まとめ
磁場反転ジェットの伝搬ダイナミクス- 軸対称二次元相対論的電磁流体シミュレーション
磁場反転なしモデル：加速されずジェットヘッド及び磁場反転の境界層(電流シート)で磁場が散逸し、磁気エネルギー → 熱エネルギー →運動エネルギーのエネルギー転換が起こりジェットが加速（ ⌧rev = 10, 1 ）
加速領域が周期的に出現 → 時間変動性の起源の可能性⌧rev = 0.1 モデル：pure hydro jetと同じ振る舞い