[論文レビュー] On Generation of magnetic field in astrophysical bodies

Mahendra K. Verma|ArXiv.org|Dec 9, 2001

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 12被引用数 42

ひとこと要約

本論文は、銀河や星などの天体における磁場生成のための場の理論的アプローチを提案し、大規模な磁場エネルギーが主に線形αダイナモ近似を回避して、大規模な速度場から大規模な磁場へ直接エネルギーが転送されることによって増大することを示している。モデルは、物理的に妥当な時間スケール（約3億年）で指数関数的な磁場エネルギー増大を示し、銀河ダイナモの観測と整合的である。

ABSTRACT

In this letter we compute energy transfer rates from velocity field to magnetic field in MHD turbulence using field-theoretic method. The striking result of our field theoretic calculation is that there is a large energy transfer rate from the large-scale velocity field to the large-scale magnetic field. We claim that the growth of large-scale magnetic energy is primarily due to this transfer. We reached the above conclusion without any linear approximation like that in $α$-dynamo.

研究の動機と目的

• 銀河や星などの天体における大規模磁場生成の非線形メカニズムを理解すること。
• 線形近似を用いないエネルギー転送の分析により、従来のαダイナモモデルに挑戦すること。
• 乱流エネルギーのフラックスが大規模磁場の維持および増幅に果たす役割を定量化すること。
• 磁気流体力学（MHD）におけるエネルギーフラックスに基づいた、動的に整合的で非線形な銀河ダイナモモデルを確立すること。

提案手法

• MHDにおける速度場と磁場間のエネルギーフラックスを計算するために、場の理論的摂動法を用いる。
• 運動量モードの相関関数を用いてエネルギー転送レートを分析し、運動的および磁気的ヘリシティを組み込む。
• 速度場および磁場エネルギーの慣性領域において、Kolmogorovに類似したスペクトルを適用し、パラメータ $ r_A, r_K, r_M $ をそれぞれアルヴェン、運動的、磁気的ヘリシティ比として定義する。
• 定常状態と一次摂動展開を用いて、エネルギーフラックス $ \Pi^{u<}_{b<} $, $ \Pi^{b>}_{b<} $, および $ \Pi^{u>}_{b<} $ を計算する。
• 初期銀河進化をモデル化するため、一様性、等方性、平均磁場ゼロ、大規模な駆動を仮定する。
• 全エネルギーフラックスを用いて磁場エネルギーの時間発展を導出し、指数的増大則に至る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形αダイナモ仮定に依存しない、天体プラズマにおける大規模磁場増幅の主なメカニズムは何か？
• RQ2 MHDにおける非線形エネルギーフラックスは、大規模磁場エネルギーの増大にどのように寄与するか？
• RQ3 非ヘリカルな前向きフラックスとヘリカルな逆フラックスの間で、磁場エネルギー転送において相対的にどの程度の重要性があるか？
• RQ4 エネルギーフラックスに基づいたα効果近似を避ける非線形的で動的な銀河ダイナモモデルを構築できるか？
• RQ5 初期銀河進化における磁場エネルギーの増大時間スケールはどの程度であり、観測と整合的か？

主な発見

• 大規模な速度場から大規模な磁場へエネルギーを直接転送する大きなエネルギーフラックス $ \Pi^{u<}_{b<} $ が、主な磁場増幅を駆動する。
• 全磁場エネルギー増大率は $ \Pi^{u<}_{b<} $ に支配されており、$ \Pi^{b>}_{b<helical} $ および $ \Pi^{u>}_{b<helical} $ の寄与は同等だがわずかに小さい。
• ネット磁場エネルギーフラックスは正であり、非ヘリカル成分では前向き転送、ヘリカル成分では逆（大規模）転送が観察される。
• モデルは、磁場エネルギーが約 $ 3 \times 10^8 $ 年の時間スケールで指数関数的に増大すると予測しており、銀河ダイナモの時間スケールの観測推定値と整合的である。
• エネルギーフラックス $ \Pi^{u<}_{b<} $ は $ \sqrt{E^u}/L $ に比例し、$ E^u $ は運動エネルギー、$ L $ は系のサイズを表す。これにより、物理的に妥当な渦のトランスイトタイムスケールが得られる。
• 場の理論的アプローチにより、磁場エネルギー増大が主に速度場から磁場への直接エネルギー転送によるものであり、逆カスケードやα効果メカニズムによるものではないことが確認された。