[論文レビュー] Kelvin-Helmholtz instability of stratified jets

M. Hanasz, Hélène Sol|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 1996

Scientific Research and Discoveries参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、相対論的コアと非相対論的シースハッチを有する層状の天体物理学的ジェットの線形安定性を、流体力学的平面対称の渦面モデルを用いて調査する。波の反射がシースハッチと外部ガス界面で発生し、不安定モードの成長率に振動的挙動を引き起こすことが明らかになった。また、非常に薄いシースハッチですらジェットの安定化に顕著な寄与を示し、活動銀河核におけるラジオロウ/ラジオクイエット二分法的特徴の起源に影響を与える可能性がある。

ABSTRACT

We investigate the Kelvin-Helmholtz instability of stratified jets. The internal component (core) is made of a relativistic gas moving with a relativistic bulk speed. The second component (sheath or envelope) flows between the core and external gas with a nonrelativistic speed. Such a two-component jet describes a variety of possible astrophysical jet configurations like e.g. (1) a relativistic electron-positron beam penetrating a classical electron-proton disc wind or (2) a beam-cocoon structure. We perform a linear stability analysis of such a configuration in the hydrodynamic, plane-parallel, vortex-sheet approximation. The obtained solutions of the dispersion relation show very apparent differences with respect to the single-jet solutions. Due to the reflection of sound waves at the boundary between sheet and external gas, the growth rate as a function of wavenumber presents a specific oscillation pattern. Overdense sheets can slow down the growth rate and contribute to stabilize the configuration. Moreover, we obtain the result that even for relatively small sheet widths the properties of sheet start to dominate the jet dynamics. Such effects could have important astrophysical implications, for instance on the origin of the dichotomy between radio-loud and radio-quiet objects.

研究の動機と目的

• 相対論的コアと遅い非相対論的シースハッチを有する二成分構造の天体物理学的ジェットの安定性特性を理解すること。
• 単一成分ジェットと比較して、シースハッチの存在がケルビン＝ヘルムホルツ不安定性の成長率に与える影響を調査すること。
• 特にシースハッチの幅と密度がジェットの安定性および進化に与える動的影響を調査すること。
• これらの不安定性の天体物理学的意義、特にラジオロウとラジオクイエットな活動銀河核の二分法的特徴の起源に関する評価を行うこと。

提案手法

• 流体力学的平面対称渦面近似を用いた線形安定性解析を実施する。
• ジェットは、相対論的コアと非相対論的シースハッチの二層構造としてモデル化され、外部媒質に埋め込まれる。
• 微小摂動の仮定の下で分散関係を導出し、界面をはさんで不連続となる速度および密度の変化を考慮する。
• シースハッチと外部ガス界面での音波の反射を明示的にモデル化し、不安定モードの位相速度および成長率に影響を与える。
• 過密度シートとその幅の変化を用いて、安定化効果を評価する。
• 分散関係の解を数値的に評価し、波数の関数としての成長率を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非相対論的シースハッチの存在が、相対論的ジェットにおけるケルビン＝ヘルムホルツ不安定性の成長率にどのように影響を及えるか？
• RQ2 シースハッチと外部ガス界面での波の反射が、不安定性の成長パターンに果たす役割は何か？
• RQ3 比較的薄いシースハッチが、層状ジェットの動的挙動をどれほど支配するのか？
• RQ4 シースハッチと外部媒質の密度対比が、ジェット構成の安定性に与える影響は何か？
• RQ5 これらの不安定性が、観測されたラジオロウとラジオクイエットな活動銀河核の二分法的特徴に及ぼす意味は何か？

主な発見

• 音波の反射がシースハッチと外部ガス界面で発生し、ケルビン＝ヘルムホルツモードの成長率に明確な振動的パターンをもたらす。
• 過密度シートは成長率を抑制し、ジェット構成の安定化に寄与することが判明した。
• 比較的小さなシースハッチ幅に対しても、シースハッチの物理的性質がジェットの動的挙動を支配し始めることを示した。
• 二成分構造は、特に成長率の波数依存性において、単一ジェットの不安定性解から顕著に逸脱する。
• これらの効果は、シースハッチに起因する安定化がジェットの破壊を抑制し、コリメーションを強化する可能性があるため、ラジオロウとラジオクイエットなAGN二分法的特徴の起源を説明する手がかりとなる可能性がある。