[論文レビュー] Magnetohydrodynamics of protoplanetary discs

Geoffroy Lesur|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 154被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、原始惑星系円盤における磁気流体力学（MHD）について包括的なレビューを提供し、外側の円盤領域（R ≥ 1 AU）における非理想MHD効果（オーム拡散、ホール効果、アンビパラドックス拡散）に焦点を当てる。非理想MHD効果が磁気軸方向不安定性（MRI）を安定化または変更することを示し、磁場を伴う風駆動による層流的降着が生じることを明らかにした。この結果は、惑星形成および円盤進化に重要な意味を持つ。

ABSTRACT

Protoplanetary discs are made of gas and dust orbiting a young star. They are also the birth place of planetary systems, which motivates a large amount of observational and theoretical research. In these lecture notes, I present a review of the magnetic mechanisms applied to the outer regions R>1 AU of these discs, which are the planet-formation regions. In contrast to usual astrophysical plasmas, the gas in these regions is noticeably cold (T<300 K) and dense, which implies a very low ionisation fraction close to the disc midplane. In these notes, I deliberately ignore the innermost R~0.1 AU region which is influenced by the star-disk interaction and various radiative effects. I start by presenting a short overview of the observational evidence for the dynamics of these objects. I then introduce the methods and approximations used to model these plasmas, including non-ideal MHD, and the uncertainties associated with this approach. In this framework, I explain how the global dynamics of these discs is modelled, and I present a stability analysis of this plasma in the local approximation, introducing the non-ideal magneto-rotational instability. Following this mostly analytical part, I discuss numerical models which have been used to describe the saturation mechanisms of this instability, and the formation of large-scale structures by various saturation mechanisms. Finally, I show that local numerical models are insufficient since magnetised winds are also emitted from the surface of these objects. After a short introduction on winds physics, I present global models of protoplanetary discs, including both a large-scale wind and the non-ideal dynamics of the disc.

研究の動機と目的

• 外側原始惑星系円盤（R ≥ 1 AU）における非理想MHD効果の役割を理解すること。低イオン化度のため乱流は弱いため。
• 局所的せん断ボックスモデルが、グローバルな風駆動降着および自己組織化メカニズムを的確に捉えていない限界を評価すること。
• 磁場ストレスおよび熱的効果によって駆動される磁場を伴う風が、層流的円盤領域における降着を支配する仕組みを調査すること。
• 非理想MHDがダストの運動、系外惑星の軌道移動、円盤進化に与える影響を検討し、従来のα-粘性係数パラダイムに挑戦すること。
• 平均磁場の進化、熱的駆動、長期的円盤-風結合に関する未解決の問題を特定すること。

提案手法

• 微分回転する円盤内の局所的ダイナミクスをモデル化するため、せん断ボックス近似を用い、オームの法則に抵抗性項、ホール項、アンビパラドックス項を含めた非理想MHD効果を組み込む。
• 局所的モデルに対して線形安定性解析を適用し、垂直方向のストラティフィケーションと抵抗性を考慮したヘリコイダルMRI（HMRI）を導出する。
• 非線形シミュレーションを、非ストラチフィケーションおよびストラチフィケーション付きのせん断ボックスに対して実施し、オーム、ホール、アンビパラドックス拡散下でのMRIの飽和挙動を調査する。
• 大規模な磁場を伴う風と円盤内での非理想MHDを結合したグローバル数値モデルを導入。自己一貫した風の発生および角運動量輸送を含む。
• 次元なしの数値（例：磁気プロラントル数、β_mean）を用いて風および円盤の性質を特徴付け、噴出効率およびベルヌーイ不変量を評価する。
• 噴出流における熱的駆動と磁場力の相乗作用を分析し、弱い磁場領域における磁気熱的メカニズムの重要性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非理想MHD効果（オーム、ホール、アンビパラドックス拡散）は、外側円盤における磁気軸方向不安定性（MRI）の発生および飽和にどのように影響するか？
• RQ2 乱流の粘性係数に代わって、磁場を伴う風が原始惑星系円盤における降着をどれほど駆動できるか？
• RQ3 熱的効果は、磁場を伴う噴出流の駆動と形状にどのように寄与するか？また、磁場ストレスとどのように結合するか？
• RQ4 円盤を貫く平均磁場は時間経過とともにどのように進化するか？また、長期的円盤進化にどのような意味を持つか？
• RQ5 風駆動降着は、標準的なα-粘性係数モデルと比較して、ダストの運動、微惑星形成、惑星の軌道移動にどのように影響を及ぼすか？

主な発見

• 外側円盤（R ≥ 1 AU）では、低イオン化度（β_mean ≈ 10^4）により非理想MHD効果が強く、乱流的MRIが抑制され、層流的風駆動降着が優勢になる。
• 磁場を伴う風は、内側円盤における降着率と同等またはそれ以上の質量損失率を示し、エネルギー・運動量・質量保存則と整合的である。
• 噴出流は磁気熱的性質を示し、特に弱い磁場領域では熱的効果がエネルギーの大部分を占める。
• グローバルモデルでは、風のストレスと円盤ダイナミクスのフィードバックにより、強力な乱流がなくても磁場および噴出流の自己組織化が可能であることが示された。
• 非理想MHD効果は中間層でのMRIを抑制するが、ストラチフィケーション付きの層ではヘリコイダルMRI（HMRI）が出現し、磁場ストレスおよび角運動量輸送が可能になる。
• 風駆動円盤では、従来のα-粘性係数パラダイムが破綻する。粘性拡散が存在せず、表面ストレスによる乱流拡散に代わって惑星の軌道移動が顕著に変化する。