[論文レビュー] A model for the cross section of a turbulent, radiative jet or wake

J. Cantó, A. C. Raga+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2003

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、放物型平均速度プロファイルとガウス分布する乱流運動を仮定することで、乱流的で放射的である天体ジェットまたは流れの断面構造を単純な解析的モデルで提示する。このモデルは、4つの自由パラメータのみを用いてHH 110ジェットの観測された半径方向速度およびライン幅プロファイルに良好に適合し、現実の乱流流れに内在する非対称性にもかかわらず、観測データと良好な一致を示している。

ABSTRACT

We present an analytical model for the cross section of a turbulent, radiative jet or wake. This model is appropriate for modeling HH jets, or "wakes" left behind by "astrophysical bullets". Even though the model is very simple, it has the benign property of only having four free parameters (the outer radius of the beam, the axial velocity, the velocity at the edge of the beam, and the turbulent velocity width), which can be derived by fitting the radial velocity and line width cross sections of an observed outflow. We illustrate how to do such fits using previously published spectroscopic data of the HH 110 jet.

研究の動機と目的

• 天体的噴流における乱流的で放射的なジェットまたは流れの断面を、単純かつ解析的に取り扱えるモデルを開発すること。
• 理論的予測とHHジェットの観測スペクトロスコピックデータ（特に半径方向速度およびライン幅プロファイル）との直接的な比較を可能にすること。
• 観測された断面から、外側ビーム半径、中心軸方向速度、端縁速度、乱流速度幅という4つの主要な物理的パラメータを抽出すること。
• 平均流れに加え乱流渦を組み込んだモデルが、乱流的天体的噴流の本質的運動特徴をどれほど捉えられるかを評価すること。
• HHジェットの非対称的で現実的な観測と比較した場合、軸対称モデルの限界を検討すること。

提案手法

• ジェットビーム断面における放物型平均速度プロファイルを仮定：$ v_j(r) = v_0(1 - r^2/h^2) + v_1 $、ここで$ h $は外半径、$ v_0 + v_1 $は中心軸方向速度、$ v_1 $は端縁速度である。
• 等温条件の下で位置に依存しない一定分散$ riangle v_T $を有するガウス分布する乱流成分を組み込む。
• 発光ラインプロファイルの一次モーメント（重心）および二次モーメント（ライン幅）の解析的表現を、ジェット断面内の半径方向位置の関数として導出する。
• ラインプロファイル方程式をジェット断面全体にわたって数値積分し、観測される位置-速度（PV）図を予測する。
• HH 110データの観測条件に合わせ、モデル予測をガウス型の見かけの広がり関数（FWHM = 2.5"）と畳み込む。
• 長スリットスペクトロスコピー観測データ（HH 110のノードBおよびC）にモデルを適合させ、観測された半径方向速度およびライン幅プロファイルと一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4つの自由パラメータのみを有する単純な解析的モデルが、乱流的天体的ジェット断面における観測された半径方向速度およびライン幅プロファイルを正確に再現できるか。
• RQ2 軸対称的平均流れに加え乱流渦を組み込んだモデルが、HH 110のような現実の乱流的噴流の運動特徴をどの程度捉えられるか。
• RQ3 観測されたPV図に理論的モデルに存在しない非対称性が現れる理由は何か。これは乱流ジェットのモデリングにどのような示唆をもたらすか。
• RQ4 2次元スペクトロスコピー観測データ（例：ファブリペロ）から得られる平均断面が、1次元スリットデータと比較して、平均流れモデルの予測とより良く一致するか。
• RQ5 外半径、軸方向速度、端縁速度、乱流幅といった物理的パラメータは、HHジェットの観測ラインプロファイルから信頼性高く抽出可能か。

主な発見

• モデルは、HH 110ジェットのノードBおよびCの観測された半径方向速度およびライン幅断面を、4つの自由パラメータのみを用いて良好に適合させた。
• HH 110における観測されたライン幅拡張は約50 km s⁻¹であり、20 km s⁻¹の機器分解能を著しく上回っており、支配的である乱流運動を示している。
• ノードCの半径方向速度プロファイルはモデルの放物型予測とよく一致するが、ノードBは明確なずれを示しており、非一様または非対称な流れ構造を示唆している。
• 見かけの広がりを畳み込んだ予測PV図は、観測データの一般的な特徴（半径方向速度、ライン幅、空間的広がり）を再現しているが、観測に見られる非対称性は軸対称モデルでは捉えられていない。
• Rieraら（2003b）の例で示される2次元ファブリペロデータから得られた平均断面は、モデル予測と驚くほど良好に一致しており、モデルの物理的妥当性を支持している。
• 結果から、空間的に平均化されたデータに適用した場合、その単純さにもかかわらず、モデルが乱流ジェットの本質的平均流れ特性を捉えていることが示唆される。