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High energy plasmas, general relativity and collective modes in the surroundings of black holes

B Coppi2009年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

The theoretical finding of composite disk structures around compact objects (e.g. black holes) and recent experimental observations indicate that highly coherent and dynamically important magnetic field configurations exist in the core of these plasma structures. Coherent configurations involving closed magnetic surfaces provide a means to resolve the 'accretion paradox' for a magnetized disk while the formation of jets emitted in the close vicinity of the compact object is related to these configurations. The absence of vigorous accretion activity in the presence of black holes in old galaxies can be attributed to the loss of the surrounding coherent magnetic configurations during their history. The relevant dynamics include axisymmetric (ballooning) modes as well as tridimensional spirals which can be excited from disks with a 'seed' magnetic field, under the effects of differential rotation and of the vertical plasma pressure gradient. The properties of these spirals are strongly dependent on their vertical structure. Axisymmetric modes can produce vertical flows of thermal energy and particles in opposing directions that can be connected to the winds emanating from disks in active galactic nuclei (AGNs). A similarity to the effects of temperature gradient driven modes in magnetically confined laboratory plasmas is pointed out. Spiral modes that are oscillatory in time and in the radial direction can produce transport of angular momentum toward the outer region of the disk structure, a necessary process for the occurrence of accretion. The excitation of radially localized density spirals co-rotating with the plasma, at a distance related to the Schwartzchild radius RS = 2GM*/c2, is proposed as the explanation for high frequency quasiperiodic oscillations (HFQPOs) of non-thermal x-ray emission from compact objects.

日本語訳

コンパクト天体(例えばブラックホール)の周囲における複合円盤構造の理論的発見と、最近の実験的観測は、これらのプラズマ構造の中心部に、高度にコヒーレントで力学的に重要な磁場構造が存在することを示している。閉じた磁気面を伴うコヒーレントな構造は、磁化された円盤における「降着パラドックス」を解決する手段を提供する一方、コンパクト天体の近傍から放出されるジェットの形成は、これらの構造と関連している。年老いた銀河におけるブラックホールの存在下での活発な降着活動の欠如は、その歴史の過程における周囲のコヒーレントな磁場構造の喪失に起因する可能性がある。関連する力学には、軸対称(バルーニング)モードおよび三次元スパイラルが含まれ、これらは「シード」磁場を伴う円盤から、差動回転および垂直方向のプラズマ圧力勾配の影響下で励起され得る。これらのスパイラルの特性は、その垂直構造に強く依存する。軸対称モードは、反対方向の熱エネルギーと粒子の垂直流を生成し得るが、これは活動銀河核(AGN)の円盤から放出される風と関連付けることができる。磁気閉じ込めプラズマにおける温度勾配駆動モードの効果との類似性が指摘される。時間的および動径方向に振動するスパイラルは、円盤構造の外側領域への角運動量輸送を生成し得るが、これは降着の発生に必要な過程である。コンパクト天体からの非熱的X線放射の高周波準周期振動(HFQPO)の説明として、シュワルツシルト半径RS = 2GM*/c2に関連する距離において、プラズマとともに共回転する動径方向に局在化した密度スパイラルの励起が提案される。

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