[論文レビュー] 3-D numerical simulations of rotating jets: The case of the DG Tau microjet

A. H. Cerqueira, E. M. de Gouveia Dal Pino|ArXiv.org|Sep 13, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 14被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、回転、進動、脈動、放射冷却、磁場を組み込んだDG Tau微小ジェットの3次元SPHおよびSPMHDシミュレーションを実施した。ジェット表面での回転速度が約8 km s⁻¹、磁場が約0.5 mGでコリメートされている場合、観測されたノード状構造と径方向速度プロファイルを再現でき、回転がこの微小ジェットの重要な特徴であり、磁気遠心力発生モデルと整合的であることが確認された。

ABSTRACT

We here present results of three-dimensional Smoothed Particle hydro and magnetohydrodynamics simulations of rotating jets, also including the effects of radiative cooling, precession and velocity variability. Using initial conditions and parameters which are particularly suitable for the DG Tau microjet, we have been able to approximately reproduce its complex knotty morphology and kinematics. We have also obtained radial velocity maps which are in good agreement with the data obtained by Bacciotti et al., thus indicating that their interpretation that the DG Tau microjet is rotating is correct. Finally, we have found that a magnetic field of the order of ~ 0.5 mG is sufficient to collimate the jet against the lateral expansion that is caused by the centrifugal forces.

研究の動機と目的

• DG Tauにおける観測されたジェットの回転が、進動や脈動といった他の効果と競合する中で、特徴的なサインであるかどうかを調査すること。
• 3次元流体力学的および磁気流体力学的シミュレーションを用いて、DG Tau微小ジェットの複雑なノード状構造と径方向速度構造を再現すること。
• 遠心力による拡散に対して回転ジェットをコリメートするのに必要な磁場強度を特定すること。
• Bacciottiら（2002年）の観測データとシミュレートされたジェット運動学的特性の整合性を検証すること。
• 現実的な物理的条件下で、磁気遠心力発生モデルがジェットの観測された性質を説明可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 3次元滑らかさ粒子法（SPH）および滑らかさ粒子磁気流体力学（SPMHD）コードを用いて、周期的境界条件を満たす3次元直方体ボックス内でのジェット進化をシミュレーションした。
• 初期条件はDG Tauの観測パラメータに合わせた：ジェット半径Rj = 5.6×10¹⁴ cm、ジェット密度nj = 2000 cm⁻³、周囲密度naでη = nj/na = 10、ジェット速度vj ≈ 300 km s⁻¹。
• 脈動的噴出を、振幅A = 0.33、周期τpul = 8年で与える正弦波的速度プロファイルでモデル化し、観測された変動性と一致させた。
• 進動は半角5°、周期τprec = 8年で導入し、観測と整合的であった。
• 回転は、表面でのφ方向速度が約8 km s⁻¹、軸上では約55 km s⁻¹として導入し、角運動量保存を満たした。
• 放射冷却は、宇宙豊度のプラズマが10⁶ Kから9×10³ Kに冷却される時間に依存しない冷却関数を用いてモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転、進動、脈動を含めた3次元シミュレーションで、DG Tau微小ジェットのノード状構造と径方向速度構造を再現できるか？
• RQ2 DG Tauにおける観測された径方向速度パターンは、回転ジェットに起因するものなのか、それとも単独の進動や脈動で説明可能か？
• RQ3 遠心力による拡散に対して回転ジェットをコリメートするのに必要な磁場強度はどれくらいか？
• RQ4 シミュレートされたジェット運動学的特性は、Bacciottiら（2002年）の観測データと一致するか？
• RQ5 シミュレーションが示唆するように、約0.5 mGの磁場がDG Tauジェットの遠心力と釣り合うのに十分か？

主な発見

• 脈動（8年周期）、進動（半角5°、8年周期）、回転（表面でのvφ ≈ 8 km s⁻¹）を含むモデルCが、DG Tau微小ジェットの観測されたノード状構造と運動学的特性を最もよく再現した。
• シミュレートされた径方向速度マップは、Bacciottiら（2002年）の観測と非常に良好に一致し、ジェットが回転しているという解釈を支持した。
• 表面でβ ≈ 10となる約0.5 mGの磁場は、遠心力による横方向拡散に対してジェットをコリメートするのに十分であった。
• シミュレートされた磁場張力は遠心力を打ち負かし、単純な推定から40 AUでB ≈ 0.2 mGが得られ、シミュレーションで求められた必要値と整合的であった。
• 磁場フラックス保存から、星表面近くでは約100 Gの磁場強度が予想され、原始星の磁場と磁気遠心力発生モデルと両立可能であった。
• 脈動や進動が存在しても、回転の特徴はシミュレーション運動学的特性において明確に識別可能で、一意的であった。