降着円盤

降着円盤とは

降着円盤とは、中心にある重い天体の周囲を公転しながら物質が落下することで形成される円盤状の構造です。この現象は宇宙で広く見られ、活動銀河核、原始惑星系円盤、ガンマ線バーストなど、様々な天体現象と深く関連しています。

降着円盤の形成と特徴

降着円盤は、物質が中心天体の重力に引かれて落下する際に、角運動量を保存するために円盤状に広がります。円盤内の物質は摩擦によって加熱され、電磁波を放射します。この放射の周波数は、中心天体の質量に依存し、若い恒星の周りでは赤外線、中性子星やブラックホールの周りではX線が観測されます。

降着円盤の物質は、らせん状の軌道を描きながら中心天体へと落下していきます。この過程で、物質は重力と摩擦によって圧縮され、高温になります。また、円盤内の乱流が粘性を増大させ、物質が内側へ輸送される重要なメカニズムとなります。この乱流の起源は磁気回転不安定性によるものと考えられています。

降着円盤の種類

降着円盤は、その形成される場所や中心天体の種類によって様々なタイプに分類されます。

星周円盤: 若い恒星や原始星の周りに形成される円盤で、惑星系の形成につながる原始惑星系円盤も含まれます。
周惑星円盤: 惑星の周りに形成される円盤で、衛星の形成に関わると考えられています。
活動銀河核の降着円盤: 銀河の中心にある超大質量ブラックホールの周りに形成される巨大な円盤で、クエーサーなどの活動的な現象を引き起こします。
連星系の降着円盤: 連星系において、一方の星から他方の星へガスが流れ込む際に形成される円盤です。

降着円盤の物理

降着円盤の理論モデルは、1940年代に基本的な物理原理から導き出されました。しかし、観測結果と一致させるためには、角運動量の再分配という謎のメカニズムを解明する必要がありました。角運動量を外側へ輸送するメカニズムは乱流であると考えられ、アルファ粘性モデルや磁気回転不安定性モデルが提唱されました。

アルファ粘性モデル

アルファ粘性モデルは、乱流によって粘性が増大すると仮定し、円盤内の物質が中心天体に向かって移動するメカニズムを説明します。このモデルでは、乱流の強さを表すパラメータとして α が導入されます。

磁気回転不安定性 (MRI)

磁気回転不安定性は、降着円盤内で働く磁場によって引き起こされる不安定性であり、角運動量を外側へ輸送するメカニズムとして注目されています。この不安定性は、円盤内の物質の回転速度差によって磁力線が引き伸ばされることで発生します。

降着円盤の観測

降着円盤は、様々な波長の電磁波を放射するため、観測を通じてその性質を調べることができます。特に、X線や赤外線での観測は、降着円盤の研究に大きな貢献をしています。2018年には、国際共同研究によって、M87銀河の中心にある超大質量ブラックホールの降着円盤の撮影に初めて成功しました。

降着円盤とジェット

降着円盤は、中心天体から高速で噴き出すジェットの発生源となることもあります。ジェットは、円盤内の磁場によって加速されたプラズマの流れであると考えられています。ジェットは、中心天体からの物質の放出を伴い、銀河の進化に大きな影響を与えます。

降着円盤のモデル

降着円盤の理論モデルには、以下の様なものがあります。

薄い円盤モデル: 標準的なモデルで、円盤が幾何学的に薄い構造をしていると仮定します。
移流優勢流 (ADAF) モデル: 降着率が低い場合に現れるモデルで、円盤が熱を効率的に放射できないために、膨張した構造を持つと仮定します。
* 超エディントン降着円盤モデル: エディントン限界を超える降着率を持つ場合に現れるモデルで、円盤が厚い構造を持ち、放射圧によって支えられていると仮定します。

質量放出円盤

降着円盤とは逆に、中心天体から物質が放出される質量放出円盤も存在します。これは、恒星が合体した際に形成されると考えられています。

まとめ

降着円盤は、天体物理学における普遍的な現象であり、宇宙の様々な場所で観測されます。降着円盤の研究は、宇宙の進化や天体の形成メカニズムを理解する上で非常に重要です。今後の観測や理論研究によって、降着円盤の謎がさらに解き明かされることが期待されます。

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