磁截留黑洞盘与喷流的重子含量

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：The baryon content of magnetically arrested black hole disks and jets

　　

摘要

我们利用包含被动欧拉示踪剂的广义相对论磁流体动力学模拟，研究了磁阻吸积流和相对论性喷流中的重子传输。该示踪剂使我们能够重建吸积盘提供的物理重子密度的表征，同时排除为了在高度磁化、低密度区域保持稳定性而数值注入的质量。将此方法应用于不同自旋的轴对称黑洞模拟，我们表明喷流的重子加载本质上是间歇性的，并由内部吸积流中发生的磁通量爆发周期所调节。每次爆发都会将重子从最内层赤道区域清除，驱动扩展电流片中的重联，并沿漏斗壁排出适度磁化的盘物质，从而建立了一个反复出现的质量加载通道。在自旋黑洞中，沿喷流边界传播的剪切驱动波进一步增强了重子夹带，而在非自旋情况下，这种机制被抑制。对于代表 M87 中黑洞吸积流的参数，我们绘制了 Goldreich-Julian 屏蔽边界的全球结构和时间演化图，该边界定义为分隔等离子体密度足以提供屏蔽平行于磁场的电场所需电荷的区域与电荷匮乏区域的表面。对于自旋黑洞，我们发现喷流的电磁功率主要由重子贫乏的等离子体携带，并伴有长时间的电荷匮乏间隔。我们的结果提供了一个框架，用于诊断磁阻黑洞系统中的喷流成分、电荷匮乏以及重联驱动的质量加载，这对低光度吸积流中的粒子加速和非热辐射具有直接影响。