[論文レビュー] Differential rotation and magnetic fields in stellar interiors

H. C. Spruit|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 76

ひとこと要約

この論文は、差動回転する星の内部における弱い磁場の進化を調査し、タイラー（ピンチ型）不安定性や回転による平滑化といった磁流体力学的不安定性に焦点を当てる。磁場の軸対称成分が不安定化を引き起こし、磁気拡散と熱拡散が安定化に寄与する中で、浮力駆動型不安定性よりも先にタイラー不安定性が発生し、角運動量の再分配を促進する。これは太陽のような星における均一回転の形成に寄与する可能性がある。

ABSTRACT

The processes contributing to the evolution of an initially weak magnetic field in a differentially rotating star are reviewed. These include rotational smoothing (akin to convective expulsion) and a list of about 5 instabilities, among them magnetorotational instability, byoyancy instability, and pinch-type instabilities. The important effects of thermal and magnetic diffusion on these instabilities are analyzed in some detail. The first instability to set in is a pinch-type instability. It becomes important in modifying the field configuration before magnetic buoyancy-driven instabilities set in. The evolution of an initially strong field remains a more open question, including the old problem whether dynamically stable magnetic equilibria exist in stars.

研究の動機と目的

• 弱い磁場が差動回転する星の内部でどのように進化するかを理解すること、特に安定に層別化された領域において。
• このような星において磁場の配置や角運動量輸送に影響を与える主要な不安定性を特定すること。
• 磁気拡散と熱拡散がこれらの不安定性の発生や成長にどのように安定化または変化をもたらすかを評価すること。
• 太陽のような星において磁場が均一回転をもたらす可能性があるかを特定し、ヘルモセイズミーにおける矛盾を解消すること。
• 長期間にわたる星の進化において、強い磁場や混合ポロイダル-トルォイダル配置の安定性を評価すること。

提案手法

• 回転、磁気拡散、熱拡散の影響を分析するため、Acheson (1978) の分散関係を用いる。
• 非回転、断熱的、軸対称な場において不安定性の必要十分条件を決定するため、Tayler (1973) のエネルギー法を適用する。
• 非軸対称場成分の軸対称化を促進するメカニズムとして、回転による平滑化（対流的排出に類似）を検討する。
• 位相混合による差動回転の減衰を分析し、長期間にわたり均一回転に至る可能性を検討する。
• 純粋なトルォイダル場およびポロイダル場の安定性を評価し、安定な混合配置の可能性を検討する。
• 不安定性下での場の非線形的進化を評価し、特に角運動量輸送に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定に層別化された星の内部で、弱く巻きついた磁場の進化を支配する主要な不安定性は何か？
• RQ2 磁気拡散と熱拡散は、これらの不安定性の発生や成長にどのように影響するか？
• RQ3 太陽の放射層がほぼ均一に回転するのはなぜか？磁気不安定性がこれを説明できるか？
• RQ4 タイラー不安定性（ピンチ型）が弱い磁場を持つ星における角運動量輸送の主なメカニズムとなり得るか？
• RQ5 強い初期磁場に対して、長期間にわたって安定な磁気平衡状態が存在するか？どのような配置が長期間にわたり安定であるか？

主な発見

• 差動回転する弱い磁場を有する星では、浮力駆動型不安定性よりも先にタイラー（ピンチ型）不安定性が発生する。
• 磁気拡散と熱拡散は不安定性の成長率を顕著に抑制し、Acheson (1978) の分散関係を用いてその効果が定量的に評価されている。
• 回転による平滑化は非軸対称場成分を効率的に除去し、軸対称場配置に導く。
• 磁場による差動回転の位相混合は、アルヴェーン時間と同等のスケールで均一回転に至る可能性を示す。
• 純粋なトルォイダル場やポロイダル場の不安定性は、長期間にわたる安定性を有するには混合ポロイダル-トルォイダル配置に限定される可能性を示唆する。
• 磁気白色矮星の観測的証拠から、星の内部に長期間にわたる安定な混合場配置が存在しうることが示されている。