[論文レビュー] Nonradial and nonpolytropic astrophysical outflows IV. Magnetic or thermal collimation of winds into jets?

C. Sauty, K. Tsinganos+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 1999

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、磁気圧力と熱的圧力のどちらが高温で磁化された噴流をジェットへと細くするかを調査するための解析的軸対称MHDモデルを提示する。磁気的ピンチ効果が弱く、軸方向に過圧力がある場合にのみシリンダ型ジェット断面が出現し、その平衡状態は遠心力や圧力勾配に対して磁気的または熱的圧力が釣り合うことで維持される。最適なジェット半径と終端速度は、磁気的圧力と熱的圧力の両方が外部閉じ込めにほぼ同等に寄与する場合に達成される。

ABSTRACT

An axisymmetric MHD model is examined analytically to illustrate some key aspects of the physics of hot and magnetized outflows which originate in the near environment of a central gravitating body. By analyzing the asymptotical behaviour of the outflows it is found that they attain a variety of shapes such as conical, paraboloidal or cylindrical. However, non cylindrical asymptotics can be achieved only when the magnetic pinching is negligible and the outflow is overpressured on its symmetry axis. In cylindrical jet-type asymptotics, the outflowing plasma reaches an equilibrium wherein it is confined by magnetic forces or gas pressure gradients, while it is supported by centrifugal forces or gas pressure gradients. In which of the two regimes (with thermal or magnetic confinement) a jet can be found depends on the efficiency of the central magnetic rotator. The radius and terminal speed of the jet are analytically given in terms of the variation across the poloidal streamlines of the total energy. Large radius of the jet and efficient acceleration are best obtained when the external confinement is provided with comparable contributions by magnetic pinching and thermal pressure. In most cases, collimated streamlines undergo oscillations with various wavelengths, as also found by other analytical models. Scenarios for the evolution of outflows into winds and jets in the different confinement regimes are shortly outlined.

研究の動機と目的

• 非径方向的かつ非多項的（nonpolytropic）な天体的噴流がどのようにコリメートされたジェットに変化するかの物理的メカニズムを理解すること。
• 噴流をシリンダ型ジェットへと閉じ込め・形状づける主な要因が磁気的力か熱的圧力勾配かを特定すること。
• 磁気流体力学（MHD）的噴流において、漸近的ジェット的解（円錐型、放物型、またはシリンダ型）が達成可能な条件を検討すること。
• 中心部の磁気的回転子が噴流の閉じ込め状態（磁気的 vs. 熱的）をどのように決定するかを評価すること。
• ストリームラインに沿ったエネルギー分布に基づいて、ジェット半径と終端速度の解析的式を導出すること。

提案手法

• 中心の重力的天体に近い領域における高温で磁化された噴流の力学を記述するため、軸対称MHDモデルが用いられる。
• ストリームラインの漸近的挙動を分析し、その形状（円錐型、放物型、シリンダ型）を分類する。
• 大距離での力の釣り合い（磁気的圧力、ガス圧力、遠心力の間）に注目して運動方程式を解く。
• 全単位質量エネルギーを、ストリームラインに沿った径方向および極座標方向の流れの変動を記述する主要変数として用いる。
• 磁気力線の張力とプラズマ圧力勾配の効果を組み込み、閉じ込めメカニズムを特定する。
• 理想MHDの仮定の下で解を導出し、ジェットの遠方領域における平衡状態に重点を置く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非径方向的かつ非多項的（nonpolytropic）な噴流が、どのような条件下でシリンダ型ジェット的漸近的断面をとるのか？
• RQ2 噴流を安定なジェットへとコリメートする際に、磁気的ピンチ効果と熱的圧力勾配のどちらが支配的か？
• RQ3 中心磁気的回転子の効率が、磁気的閉じ込め状態と熱的閉じ込め状態の間の遷移にどのように影響するか？
• RQ4 漸近的領域において、コリメートされたジェットの最終的な半径と終端速度は、何によって決定されるか？
• RQ5 多くの解析的モデルでストリームライン形状に振動が生じる理由は何か？そしてそれは根本的な力の釣り合いとどのように関係するか？

主な発見

• 磁気的ピンチ効果が無視できるほど弱く、かつ軸方向に過圧力がある場合にのみ、シリンダ型ジェット的漸近的形状が達成される。
• シリンダ型ジェットでは、平衡状態が磁気的または熱的圧力勾配と遠心力またはガス圧力の力の間で釣り合うことで維持される。
• ジェット半径と終端速度は、極座標方向のストリームラインに沿った全エネルギーの変動に基づいて解析的に表現できる。
• 磁気的ピンチ効果と熱的圧力の両方が外部閉じ込めにほぼ同等に寄与する場合に、最大の半径と効率的な加速を伴う最適なジェットコリメーションが実現される。
• 非シリンダ型の漸近的形状（円錐型、放物型）はより一般的であり、強い磁気的ピンチ効果または弱い過圧力と関連している。
• ストリームライン形状の振動的挙動は、本モデルの一般的な特徴であり、他の解析的MHDジェットモデルの報告とも整合する。