[論文レビュー] Magnetorotational dynamo chimeras. The missing link to turbulent accretion disk dynamo models?

A. Riols, F. Rincon+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 50被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、中程度のアスペクト比を持つケプラーモンジングボックス内で、複雑で乱流に類似したダイナミクスを示す、新しい3次元的・周期的・非圧縮性MRIダイナモ解—「キマイラ」サイクル—を提示する。これらの解は、フルシミュレーションにおける自己組織的大型磁場サイクルに類似している。複雑さにもかかわらず、これらは単純なサイクルと同一の準位相MRIダイナモ機構によって維持されており、低磁気プロラントル数（Pm）では乱流的磁気拡산のため持続が制限される。これにより、降着円盤ダイナモの統計的モデルとの物理的橋渡しが可能となる。

ABSTRACT

In Keplerian accretion disks, turbulence and magnetic fields may be jointly excited through a subcritical dynamo process involving the magnetorotational instability (MRI). High-resolution simulations exhibit a tendency towards statistical self-organization of MRI dynamo turbulence into large-scale cyclic dynamics. Understanding the physical origin of these structures, and whether they can be sustained and transport angular momentum efficiently in astrophysical conditions, represents a significant theoretical challenge. The discovery of simple periodic nonlinear MRI dynamo solutions has recently proven useful in this respect, and has notably served to highlight the role of turbulent magnetic diffusion in the seeming decay of the dynamics at low magnetic Prandtl number Pm (magnetic diffusivity larger than viscosity), a common regime in accretion disks. The connection between these simple structures and the statistical organization reported in turbulent simulations remained elusive, though. Here, we report the numerical discovery in moderate aspect ratio Keplerian shearing boxes of new periodic, incompressible, three-dimensional nonlinear MRI dynamo solutions with a larger dynamical complexity reminiscent of such simulations. These "chimera" cycles are characterized by multiple MRI-unstable dynamical stages, but their basic physical principles of self-sustainment are nevertheless identical to those of simpler cycles found in azimuthally elongated boxes. In particular, we find that they are not sustained at low Pm either due to subcritical turbulent magnetic diffusion. These solutions offer a new perspective into the transition from laminar to turbulent instability-driven dynamos, and may prove useful to devise improved statistical models of turbulent accretion disk dynamos.

研究の動機と目的

• 従来の解よりも高い動的複雑性を示す非線形的・周期的MRIダイナモ解を同定・特徴付け、乱流的降着円盤行動をより良くモデル化すること。
• 特に天体的円盤に関連する低磁気プロラントル数（Pm）領域において、これらの複雑なダイナモ解を支える物理的メカニズムを調査すること。
• 高解像度の乱流的MRIシミュレーションで観察される磁場の統計的自己組織化と、これらの周期的「キマイラ」解との関連を確立すること。
• 大規模なMRI不安定場と小規模な非線形励起波の役割を明確にするために、ダイナミクスを「活性モード」と「従属モード」に分解すること。
• 乱流的降着円盤ダイナモの統計的平均場モデルを改善するための、物理的に明確で第一原理的な基盤を提供すること。

提案手法

• 高解像度スペクトル法を用いて、中程度のアスペクト比を持つケプラーモンジングボックス内で、3次元的・非圧縮性・完全非線形磁気流体力学（MHD）解を数値計算する。
• エネルギー移動と維持メカニズムを分析するため、「活性モード」（大規模・MRI不安定・軸対称および非軸対称成分）と「従属モード」（小規模・非線形相互作用により受動的に励起される成分）への分解を適用する。
• エネルギー予算と磁気拡散の分析により、低Pmにおける見かけのダイナモ崩壊の原因としての乱流的磁気拡散の役割を特定する。
• 新しい「キマイラ」解と以前の単純周期的解（H11, R13, R15）を比較し、ダイナミクスの複雑性上昇がダイナモ持続性に与える影響を評価する。
• 分解を用いて、ダイナモの主な駆動源がMRI駆動の大規模場であることを特定し、小規模な従属モードが全体の挙動を調整していることを明らかにする。
• Pm依存性の体系的探索により、Pm < 数値の領域で解が持続不能であることを確認し、先行する乱流的シミュレーションと整合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度のアスペクト比を持つモンジングボックス内で、乱流的MRIシミュレーションで観察される統計的自己組織化に類似した、複雑で周期的かつ3次元的なMRIダイナモ解が得られるか？
• RQ2 これらの複雑な「キマイラ」解を支える物理的メカニズムは何か？ それらの解は、単純な周期的解と比較して、どのようなダイナミクス的差異を示すか？
• RQ3 なぜMRIダイナモ解は低磁気プロラントル数（Pm）で持続不能になるのか？ そして、乱流的磁気拡散が主な要因であるとされる根拠は何か？
• RQ4 大規模な活性モードと小規模な従属モードとの非線形相互作用は、全体のダイナモ効率および磁気エネルギーバランスにどのように影響するか？
• RQ5 活性モードと従属モードへの分解は、降着円盤ダイナモの統計的平均場モデルを改善するための物理的に明確なフレームワークを提供できるか？

主な発見

• 本研究では、以前の解よりも著しく高い動的複雑性を示す、周期的で3次元的・非圧縮性のMRIダイナモ解—「キマイラ」サイクル—を同定した。これらは複数のMRI不安定段階と乱流に類似した組織を有する。
• 複雑さにもかかわらず、これらのキマイラ解は、単純なサイクルと同一の準位相MRIダイナモ機構によって維持されており、MRI不安定摂動と大規模磁場との非線形フィードバックに依存している。
• Pm < 数値の低Pm領域では解が持続できないことが確認され、これはR15と一致し、見かけのダイナモ崩壊の主な要因が乱流的磁気拡散であることを裏付けた。
• 活性モードと従属モードへの分解により、大規模なMRI支持磁場と非軸対称摂動がダイナモの主な駆動源であることが明らかになった。一方、小規模な従属波はエネルギーを吸収し、システム挙動を調整している。
• 非線形的に励起され、準線形モデルでは自己一貫的に計算されない従属モードの存在が、ダイナモのPm依存性を決定づける上で極めて重要であることが示され、簡略化モデルの限界を浮き彫りにした。
• これらのキマイラ解は、効果的2次元モデルの降着円盤ダイナモサイクルと、統計的および動的特徴を共有しており、乱流的MRIダイナモの第一原理的統計的モデル化への実現可能性を示唆している。