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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.14.2011.tde-15012012-121521
Documento
Autor
Nome completo
Luis Henrique Sinki Kadowaki
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2011
Orientador
Banca examinadora
Pino, Elisabete Maria de Gouveia Dal (Presidente)
Abraham, Zulema
Cerqueira, Adriano Hoth
Título em português
Reconexão magnética em discos de acreção e seus efeitos sobre a formação e aceleração de jatos: um estudo teórico-numérico
Palavras-chave em português
Campos Magnéticos
Discos de acreção
Magnetohidrodinâmica
Resumo em português
Jatos e discos de acreção associados a objetos galácticos e extragalácticos tais como, microquasares (i.e., buracos negros de massa estelar presentes em alguns sistemas binários estelares), núcleos ativos de galáxias (NAGs) e objetos estelares jovens (OEJs), frequentemente exibem eventos de ejeção de matéria quase periódicos que podem fornecer importantes informações sobre os processos físicos que ocorrem nas suas regiões mais internas. Entre essas classes de objetos, os microquasares com emissão transiente em raios-X vêm sendo identificados em nossa Galáxia desde a última década, e tal como os NAGs e quasares distantes, alguns desses sistemas também produzem jatos colimados com velocidades aparentemente superluminais, não deixando dúvidas de que se tratam de um gás ejetado com velocidades relativísticas. Um exemplo amplamente observado em comprimentos de onda do rádio aos raios-X é o microquasar GRS 1915+105 (e.g., Dhawan et al.,2000), que foi o primeiro objeto galáctico a exibir evidências de um jato com movimento aparentemente superluminal (Mirabel e Rodríguez, 1998, 1994). Um modelo para explicar a origem dessas ejeções superluminais, bem como a emissão rádio sincrotrônica em flares não muito diferentes dos que ocorrem na coroa solar, foi desenvolvido por de Gouveia Dal Pino e Lazarian (2005), onde é invocado um processo de reconexão magnética violenta entre as linhas de campo magnético que se erguem do disco de acreção e as linhas da magnetosfera da fonte central. Em episódios de acreção onde a razão entre a pressão efetiva do disco e a pressão magnética diminui para valores menores ou da ordem de 1 e as taxas de acreção se aproximam da taxa crítica de Eddington, a reconexão pode tornar-se violenta e libera grandes quantidades de energia magnética em pouco tempo. Parte dessa energia aquece o gás, tanto da coroa quanto do disco, e parte acelera as partículas a velocidades relativísticas por um processo de Fermi de primeira ordem, pela primeira vez estudado em zonas de reconexão magnética por esses autores, produzindo um espectro sincrotrônico de lei de potência com índice espectral comparável às observações. Neste trabalho realizamos um estudo complementar, iniciado por Piovezan (2009), no qual generalizamos o modelo acima descrito para o caso dos NAGs. Nesse estudo, constatamos que a atividade de reconexão magnética na região coronal, na base de lançamento do jato, pode explicar a origem das ejeções relativísticas, dos microquasares aos NAGs de baixa luminosidade (tais como galáxias Seyfert e LINERS). A potência liberada em eventos de reconexão magnética em função das massas dos buracos negros dessas fontes, de 5 massas solares a 10^10 massas solares, obedece a uma correlação que se mantém por todo esse intervalo, abrangendo 10^9 ordens de magnitude. Essa correlação implica em uma dependência quase linear (em um diagrama log-log), aproximadamente independente das características físicas locais dos discos de acreção dessas fontes. Além do mais, ela é compatível com o chamado plano fundamental, obtido empiricamente, que correlaciona a emissão rádio e raios-X dos microquasares e NAGs às massas dos seus buracos negros (veja Merloni et al., 2003). Assim, o modelo de de Gouveia Dal Pino e Lazarian (2005), oferece uma interpretação física simples para a existência dessa correlação empírica, como devida à atividade magnética coronal nessas fontes. Já os quasares e NAGs mais luminosos não satisfazem à mesma correlação, possivelmente porque a densidade ao redor da região coronal nessas fontes é tão alta que mascara a emissão devida à atividade magnética. A emissão rádio nesses casos deve-se, possivelmente, a regiões mais externas do jato supersônico, onde ele já expandiu o suficiente para tornar-se opticamente fino e visível, e onde os elétrons relativísticos são possivelmente produzidos em choques (veja também de Gouveia Dal Pino et al., 2010a,b). Paralelamente, investigamos a formação de eventos de reconexão magnética através de simulações magnetohidrodinâmicas axissimétricas (2.5D-MHD), da interação entre o campo magnético poloidal ancorado no disco de acreção viscoso (satisfazendo ao modelo padrão de Shakura e Sunyaev, 1973) e a magnetosfera dipolar da fonte central em rotação. Para esse fim, consideramos condições iniciais semelhantes às dos OEJs. Nos testes preliminares aqui realizados, a reconexão magnética das linhas ocorre em presença de uma resistividade numérica, que não é intensa o bastante para determinar um processo de reconexão a taxas da ordem da velocidade de Alfvén, ou seja, ela é essencialmente lenta. Ainda assim, pudemos identificar alguns dos efeitos previstos pelo modelo de reconexão magnética rápida aqui estudado. Por exemplo, verificamos que a frequência e a intensidade com que eventos de reconexão magnética podem ocorrer é sensível tanto à topologia inicial do campo magnético do sistema quanto às taxas de acreção do disco (como previsto pelo modelo de de Gouveia Dal Pino e Lazarian, 2005), de modo que tais eventos ocorrem de forma mais eficiente em regimes de alta taxa de acreção. Finalmente, além da investigação sobre o desenvolvimento de eventos de reconexão magnética, pudemos também examinar a partir das simulações a formação natural de funis de acreção, os quais são colunas de acreção que conduzem gás do disco para a superfície da fonte central através das linhas do campo magnético. Os resultados desse estudo foram comparados com as observações de funis de acreção de objetos estelares jovens.
Título em inglês
Magnetic reconnection in accretion disks and their effects on the formation and acceleration of jets: a theoretical and numerical study
Palavras-chave em inglês
Accretion disk
Magnetic fields
Magnetohydrodynamics
Resumo em inglês
Jets and accretion disks associated with galactic and extragalactic objects such as microquasars (i.e., stellar-mass black holes occurring in some binary stellar systems), active galactic nuclei (AGNs) and young stellar objects (YSOs), often exhibit quasi-periodic ejections of matter that may offer important clues about the physical processes that occur in their inner regions. Among these classes of objects, microquasars with transient emission in X-rays have been identified in our Galaxy since the last decade and like AGNs and distant quasars, some of them also produce collimated jets with apparent superluminal speeds, leaving no doubt that we are also dealing with ejected gas with relativistic velocities. One example widely investigated from radio wavelengths to X-rays is the microquasar GRS 1915+105 (e.g., Dhawan et al.,2000), which was the first Galactic object to show evidence of a jet with apparent superluminal motion (Mirabel e Rodríguez, 1998, 1994). A model to explain the origin of the superluminal ejections and the synchrotron radio emission in flares which are not very different from those occurring in the solar corona, was developed by de Gouveia Dal Pino e Lazarian (2005), where they invoked a process of violent magnetic reconnection between the magnetic field lines that arise from the accretion disk and the lines of the magnetosphere of the central source. In accretion episodes where the ratio between the effective disk pressure and magnetic pressure decreases to values smaller than the unity and the accretion rate approaches the critical Eddington rate, the reconnection may become violent and releases large amounts of magnetic energy in a short time. Part of this energy heats the coronal and the disk gas and part accelerates particles to relativistic velocities through a first-order Fermi-like process, which was investigated for the first time in magnetic reconnection by these authors and results a synchrotron radio power-law spectrum that is compatible to the observations. In the present work we conducted a complementary study, initiated by Piovezan (2009), which generalize the model described above for the case of AGNs. We found that the activity due to magnetic reconnection in the coronal region, at the base of the launching jet, can explain the origin of relativistic ejections from microquasars to low luminous AGNs (LLAGNs, such as Seyfert galaxies and LINERs). The power released by magnetic reconnection events as a function of the black hole masses of these sources, between 5 solar mass and 10^10 solar mass, obeys a correlation that is maintained throughout this interval, spanning 10^9 orders of magnitude. This correlation implies an almost linear dependence (in a log-log diagram), which is approximately independent of the physical properties of the accretion disks of these sources. Moreover, it is compatible with the so-called fundamental plan obtained empirically, which correlates the radio and X-rays emission of microquasars and AGNs with the masses of their black holes (see Merloni et al., 2003). Thus, the model of de Gouveia Dal Pino e Lazarian (2005) provides a simple physical interpretation for the existence of this empirical correlation as due to coronal magnetic activity in these sources. More luminous AGNs and quasars do not seem to obey the same correlation, possibly because the density around the coronal region in these sources is so high that it "masks" the emission due to the magnetic activity. The radio emission in these cases is possibly due regions further out of the supersonic jet, where it has already expanded enough to become optically thin and visible and where the relativistic electrons are probably accelerated in shocks (see also de Gouveia Dal Pino et al., 2010a,b). In addition, we investigated the development of magnetic reconnection events through axisymmetric magnetohydrodynamic simulations (2.5D-MHD) of the interaction between the poloidal magnetic field that arises from the viscous accretion disk (which satisfies the standard model of Shakura e Sunyaev, 1973) and the dipolar magnetosphere of the rotating central source. To this aim, we considered initial conditions which are compatible to those of YSOs. In the preliminary tests conducted here, magnetic reconnection occurs in the presence of numerical resistivity only, which is not intense enough to determine a process of reconnection with rates of the order of the Alfvén speed, i.e., it is essentially slow. Nevertheless, we were able to identify some of the effects predicted by the model of fast magnetic reconnection studied here. For example, we found that the frequency and strength with which events of magnetic reconnection can occur is sensitive to both the initial topology of the magnetic field of the system and the accretion disk rates (as predicted by the model of de Gouveia Dal Pino e Lazarian, 2005), so that such events occur more efficiently under high accretion rates. Finally, besides the investigation of the development of magnetic reconnection events, we could also examine in our numerical studies the natural formation of funnel flows which are accretion columns that transport gas from the accretion disk to the surface of the central source along the magnetic field lines. The results of these studies were compared with the observations of funnel flows in young stellar objects.
 
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Data de Publicação
2012-03-14
 
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