Αστροφυσικοί πίδακες πλάσματος από περιστρεφόμενες μελανές οπές

Abstract

Collimated plasma outflows, jets, manifest in a wide variety of astrophysical phenomena. In this work we study them using a semi-analytical model of the general relativistic magnetohydrodynamic (GRMHD) equations in the Kerr metric that describes them near the rotation axis, assuming a steady state, and axisymmetry .The model is constructed by expanding the rotating black hole metric and forces with respect to the polar angle about the rotation axis. This results in a system of ordinary differential equations that determine the dependence on the radial distance. The goal is to model the inner spine of a relativistic jet in order to solve for the bulk acceleration and the shape of the jet and understand how these quantities depend on the enthalpy and the magnetic field. The difference with previous semi-analytical models that expand the metric around the rotation axis, is that the flow is governed by a polytropic equation of state. The solutions in this work start from a stagnation surface very close to the event horizon and become highly relativistic, achieving large Lorentz factors at large distances

Oι εστιασμένες εκροές πλάσματος, jets, εμφανίζονται σε πληθώρα αστροφυσικών φαινομένων. Στην παρούσα εργασία γίνεται μελέτη χρησιμοποιώντας ημι-αναλυτικά μοντέλα κάνοντας χρήση της μαγνητοϋδροδυναμικής στα πλαίσια της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, GRMHD, με μετρική Kerr. Περιγράφουμε τα jets κοντά στον άξονα περιστροφής, υποθέτοντας χρονοανεξαρτησία και συμμετρία γύρω από τον άξονα. Το μοντέλο κατασκευάζεται αναπτύσσοντας τη μετρική της περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας, καθώς και τις δυνάμεις, σε σχέση με την πολική γωνία γύρω από τον άξονα περιστροφής. Σαν αποτέλεσμα αυτού, το σύστημα των διαφορικών εξισώσεων που προκύπτει, περιέχει όλες τις φυσικές ποσότητες του μοντέλου ως συναρτήσεις της ακτινικής απόστασης. Στόχος είναι να μοντελοποιήσουμε την εσωτερική περιοχή ενός σχετικιστικού πίδακα, spine, να περιγραφεί πως μεταβάλλονται με την απόσταση, η επιτάχυνση του πίδακα και η γεωμετρία του, καθώς και να κατανοήσουμε την εξάρτηση των παραπάνω ποσοτήτων, από την ειδική ενθαλπία και το μαγνητικό πεδίο. Επιπλέον, σε σχέση με προηγούμενα ημι-αναλυτικά μοντέλα, που αναπτύσσουν τη μετρική γύρω από τον άξονα περιστροφής, η ροή καθορίζεται από την πολυτροπική καταστατική εξίσωση. Οι λύσεις στην συγκεκριμένη εργασία ξεκινούν από μια επιφάνεια μηδενικής ταχύτητας, πολύ κοντά στον ορίζοντα γεγονότων και γίνονται υπερ-σχετικιστικές σε μεγάλες αποστάσεις.