[論文レビュー] Discs and outflows in the early phases of massive star formation: influence of magnetic fields and ambipolar diffusion

B. Commerçon, M. González+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2021

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ひとこと要約

本研究では、質量星形成の高解像度3次元自己適合メッシュ・リファインメント（AMR）シミュレーションを用い、磁場とアンビパラドックス拡散（AD）が降着、噴出、円盤形成に与える影響を調査した。磁場プロセスが初期段階で支配的であり、ADが円盤の磁場トポロジーを反転させることを明らかにした。理想MHDではトロイダル優勢で磁気的圧力が支配する円盤（β < 1）が形成されるが、抵抗性MHDでは内側領域（R < 100–200 au）に垂直磁場を有し、熱的圧力が支配する円盤が形成され、根本的に円盤構造と安定性が変化する。

ABSTRACT

We study mass accretion and ejection in the vicinity of massive star forming cores using high-resolution (5 au) 3D AMR numerical simulations. We investigate the mechanisms at the origin of outflows and characterise the properties of the disc forming around massive protostars. We include both protostellar radiative feedback via PMS evolutionary tracks and magnetic ambipolar diffusion. We studied 3 different cases: purely hydrodynamical, ideal MHD, and ambipolar diffusion. In the resistive models, we investigate the effects the initial amplitude of both magnetic field and rotation have on the properties of the massive protostellar system. We use simple criteria to identify the outflow and disc material and follow their evolution as the central star accretes mass up to 20 solar mass. The outflow is completely different when magnetic fields are introduced, so that magnetic processes are the main driver of the outflow up to stellar masses of ~20 solar mass. The disc properties depend on the physics included. The disc formed in the ideal and resistive runs show opposite properties in terms of plasma beta and of magnetic fields topology. While the disc in the ideal case is dominated by the magnetic pressure and the toroidal magnetic fields, the one formed in the resistive runs is dominated by the thermal pressure and has essentially vertical magnetic fields in the inner regions (R<200 au). We find that magnetic processes dominate the early evolution of massive protostellar systems (<20 solar mass) and shapes the accretion/ejection as well as the disc formation. Ambipolar diffusion is mainly at work at disc scales and regulates its properties. Our finding for the outflow and disc properties are reminiscent of low-mass star formation, suggesting that accretion and ejection in young massive and low-mass protostars are regulated by the same physical processes at the early stages.

研究の動機と目的

• 質量星形成の初期段階における磁場およびアンビパラドックス拡散が降着および噴出に与える影響を理解すること。
• 質量原始星における噴出を駆動するのは放射力か磁気的加速かという議論を解消すること。
• 理想MHDと抵抗性MHDの両方を含むさまざまな物理的条件下で、円盤の性質（質量、半径、磁場トポロジー）を特徴づけること。
• 初期磁場強度および剛体回転が最終的な原始星系に与える影響をテストすること。
• 高解像度観測による質量を有する若い星の円盤および噴出に関する検証可能な予測を提供すること。

提案手法

• 抵抗性グレイ放射MHD方程式を用いた、質量星形成の高密度コア崩壊の3次元自己適合メッシュ・リファインメント（AMR）シミュレーションを実施した。
• 原始星進化を主系列前進化曲線を用いて統合し、放射フィードバックを自己一貫的にモデル化した。
• 20 M⊙に達するまでの時間経過に伴い、質量降着および噴出を追跡するためのシンク粒子を導入した。
• 主な3つのシミュレーションを実施：純粋流体力学、理想MHD（完全結合）、抵抗性MHD（アンビパラドックス拡散を含む）。
• パラメータ空間への影響を調査するため、初期磁場強度および回転速度を変化させた。
• 物理的基準を用いて円盤および噴出物質を特定・追跡し、放射、磁場、流体力学的性質を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量原始星における噴出を駆動する主要なメカニズムは何か：放射力か磁気的加速か？
• RQ2 磁場およびアンビパラドックス拡散は、質量星形成コアにおける円盤形成と構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 初期磁場強度および回転が、最終的な円盤および噴出物性に与える影響は何か？
• RQ4 理想MHDと抵抗性MHDの両状態において、質量原始星円盤におけるプラズマベータ（β）および磁場トポロジーにどのような差が生じるか？
• RQ5 質量原始星における降着および噴出メカニズムは、低質量原始星におけるそれらとどの程度類似しているか？

主な発見

• 磁場が質量原始星系の初期段階（M⋆ < 20 M⊙）において支配的であり、磁気的遠心力プロセスが噴出の主な駆動要因である。
• 抵抗性MHDの場合、内側円盤（R < 100–200 au）は垂直磁場を有し、熱的圧力が支配的（β > 1）である。これは理想MHDの場合に見られるトロイダル優勢で磁気的圧力が支配する（β < 1）円盤とは顕著に異なる。
• 抵抗性MHDの円盤では、抵抗性効果により内側領域に重力不安定性が生じるが、外側領域は磁気的に結合されており安定である。
• 円盤質量および半径は、非理想MHD物理の取り入れ方に強く依存しており、抵抗性モデルでは特徴的な磁場トポロジーと熱的支配が顕著に現れる。
• 質量原始星における噴出および円盤の性質は、低質量星形成と類似しており、質量スペクトル全域の初期段階で降着および噴出が同じ物理的プロセスによって制御されている可能性を示唆する。
• 放射線が逃げるための通路を噴出が開く「フラッシュライト効果」は、磁場モデルにおいても自己一貫的に噴出が生成される場合に成り立つ。