[論文レビュー] Magnetically-driven jets from Keplerian accretion discs

Jonathan Ferreira|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 1996

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 73

ひとこと要約

本稿は、磁気的駆動による自己整合的非相対論的ジェットをケプラーモデルの降着円盤から厳密に構築し、ジェットの力学と降着円盤の相互作用を完全に連成することで、噴出効率が円盤の垂直平衡と角運動量輸送によって強く制約されることを示している。主な結果として、ジェットは磁気的収縮によって漸近的に再収縮することを明らかにした。また、定常解が存在するためには、速さパラメータ ωA が1に近い値をとる必要があり、円盤の構造によって最小質量流量が制約されることを示した。

ABSTRACT

Non-relativistic, magnetically-driven jets are constructed by taking self-consistently into account the feedback on the underlying accretion disc. It is shown that such jets are mostly described by the ejection index $ξ= \mbox{d} \ln \dot M_a/ \mbox{d}\ln r$, which is a local measure of the disc ejection efficiency. This parameter is found to lie in a very narrow range, due to global disc-jets constraints. This investigation provided two important results. First, the disc vertical equilibrium imposes a minimum mass flux ejected. Second, their asymptotic behaviour critically depends on a fastness parameter $ω_A= Ω_*r_A /V_{Ap,A}$, ratio of the field lines rotation velocity to the poloidal Alfvén velocity at the Alfvén surface. This parameter must be bigger than, but of the order of, unity. Self-similar jets from Keplerian discs, after widening up to a maximum radius whose value increases with $ω_A$, always recollimate towards the jet axis, until the fast-magnetosonic critical point is reached. It is doubtful that such solutions could steadily cross this last point, the jet either ending there or rebouncing. Recollimation takes place because of the increasing effect of magnetic constriction. This systematic behaviour is due to the large opening of the magnetic surfaces, leading to such an efficient acceleration that matter always reaches its maximum poloidal velocity. This ``over-widening'' stems from having the same ejection efficiency $ξ$ in the whole jet. Realistic jets, fed with ejection indices varying from one magnetic surface to the other, would not undergo recollimation, allowing either cylindrical or parabolic asymptotic collimation.

研究の動機と目的

• 降着ジェット系のMHD方程式の自己整合的グローバル解を用いて、ジェットが円盤に与えるフィードバックを完全に組み込んだケプラーディスクからの磁気的駆動ジェットのモデル化。
• 噴出効率パラメータ ξ（dlnṀa/dlnr として定義）にかかる物理的制約の特定。
• ジェットの漸近的挙動と再収縮が起こる条件の調査。
• 円盤の垂直平衡の制約によって生じる最小質量流量の特定。
• 速さパラメータ ωA = Ω*rA/VAp,A がジェットの収縮性および安定性に与える影響の分析。

提案手法

• 降着-ジェット系の磁気流体力学（MHD）方程式の自己整合的グローバル解を用いる。
• 角運動量保存および質量保存から導かれる局所的噴出効率指標としての噴出指数 ξ を適用する。
• 潮汐力、磁気圧（Br および Bϕ からの寄与）、およびプラズマ圧力のバランスによって円盤の垂直平衡を実装する。
• 抵抗率および電流密度の2次テイラー展開を用いて、円盤表面におけるトロイダル磁場 Bϕ を求める。
• アルベール表面における回転速度とアルベールポテンシャル速度の比を評価するための速さパラメータ ωA を導出する。
• 進流項が半径方向電流密度 Jr に与える影響を分析し、Jr > 0 が円盤上部で維持されることの役割を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円盤の垂直平衡は、噴出可能な最小質量流量にどのような制約を課えるか？
• RQ2 速さパラメータ ωA は、磁気的駆動ジェットの漸近的収縮性および安定性にどのように影響するか？
• RQ3 なぜケプラーディスクからの自己相似ジェットは常に再収縮するのか？その背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ4 噴出指数 ξ は円盤全体でどのように変化するか？その値が狭い範囲に収束する要因は何か？
• RQ5 定常状態の解は、速い磁気モード臨界点を超えて存在可能か？それともジェットはそこで終了するか、あるいは反発を受けるか？

主な発見

• 円盤の垂直平衡と定常的角運動量輸送の両方の効果により、噴出指数 ξ は非常に狭い範囲に強く制約される。
• 円盤の垂直平衡は噴出に必要な最小質量流量を課し、任意に低い噴出効率のモデルは物理的に不可能であることを示している。
• ジェットは、磁気的収縮が増大するため、漸近的に再収縮する。これは、磁気的表面の開口角が大きく、加速効率も高いことに起因する。
• 定常ジェット解が存在するためには、速さパラメータ ωA が1に近い（ωA ≈ 1）値をとる必要がある。
• 自己相似ジェットは、ωA が大きいほど最大半径が増大するが、常に速い磁気モード臨界点に達する前に軸に向かって再収縮する。
• ジェットが速い磁気モード臨界点を定常的に通過することはほとんどありえず、そこで終了するか、あるいは反発を受けると考えられる。