[論文レビュー] Pressure- and magnetic shear- driven instabilities in rotating MHD jets

Evy Kersalé, Pierre‐Yves Longaretti+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、バルーンイング順序展開を用いて、回転する磁気流体力学（MHD）ジェットにおける圧力および磁場シアー駆動不安定性の新しい安定性基準を導出する。驚くべきことに、磁場シアーに線形項が存在し、これはSuydamの基準とは対照的にジェットを不安定化させ得ることを示している。Suydamの基準は、磁場シアーが常に安定化すると予測している。この不安定性は、中心軸上での電流密度がゼロであるジェット、例えば降着円盤からのジェットにおいて特に重要であり、AGNジェットにおける粒子加速を駆動する可能性がある。

ABSTRACT

We derive new stability criteria for purely MHD instabilities in rotating jets, in the framework of the ballooning ordering expansion. Quite unexpectedly, they involve a term which is linear in the magnetic shear. This implies that cylindrical configurations can be destabilized by a negative magnetic shear as well as by a favorable equilibrium pressure gradient, in distinction with the predictions of Suydam's stability criterion, which suggests on the contrary that the shear is always stabilizing. We have used these criteria to establish sufficient conditions for instability. In particular, the magnetic shear can always destabilize jets with vanishing current density on the axis, a feature which is generically found in jets which are launched from an accretion disk. We also show that standard nonrotating jet models (where the toroidal field dominates the poloidal one), which are known to be unstable, are not stabilized by rotation, unless the plasma $β$ parameter and the strength of the rotation forces are both close to the limit allowed by the condition of radial equilibrium. The new magnetic shear-driven instability found in this paper, as well as the more conventional pressure-driven instability, might provide us with a potential energy source for the particle acceleration mechanisms underlying the high energy emission which takes place in the interior of AGN jets.

研究の動機と目的

• バルーンイング順序近似の下で、回転ジェットにおける完全にMHD的な不安定性の新しい安定性基準を導出すること。
• 圧力および磁場シアーが不安定性を駆動する役割を調査すること、特に軸上での電流密度がゼロである配置において。
• 回転が、主にトロイダル磁場を有する既知の不安定なジェットモデルをどの程度安定化させるかを評価すること。
• これらの不安定性とAGNジェット内の粒子加速メカニズムとの可能性のある関連を探索すること。

提案手法

• 研究は、回転する円筒形ジェット平衡状態における局所的・準垂直なMHD摂動を分析するため、バルーンイング順序展開を用いる。
• WKBに類似た近似を用いて、摂動された磁場および張力項の正確な式を導出する。これにより、重要な幾何的および磁場曲率効果を保持する。
• 運動量方程式は、摂動されたMHD力のバランスから導出され、磁場張力、コリオリ力、および混合慣性項を含む。
• 準垂直伝播の極限において、全圧力摂動が相殺され、力のバランスが単純化されることを示す。
• 変位場の発散は、場方向微分および幾何的要因で表され、場方向および方位方向成分の変位に関する常微分方程式系に還元される。
• 安定性基準は、径方向平衡制約の下で得られた固有値問題を分析することによって導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場シアーが回転MHDジェットを不安定化させ得るか。これは、一般的に受け入れられているSuydam基準とは対照的である。
• RQ2 軸上での電流密度がゼロであるジェットにおいて、磁場シアーが不安定性を駆動する条件は何か。
• RQ3 回転が、主にトロイダル磁場を有する標準的な非回転ジェットモデルをどの程度安定化または不安定化させるか。
• RQ4 圧力駆動不安定性と磁場シアー駆動不安定性の成長率および物理的メカニズムをどのように比較できるか。
• RQ5 これらの不安定性が、AGNジェット内での粒子加速の実現可能なエネルギー源となり得るか。

主な発見

• 安定性基準に磁場シアーの線形項が現れ、これは負の磁場シアーがジェットを不安定化させ得ることを示唆している。これはSuydamの予測とは対照的であり、磁場シアーは常に安定化すると予測している。
• 軸上での電流密度がゼロであるジェットは、常に磁場シアー駆動不安定性にさらされる。これは、降着円盤から発するジェットに共通する特徴である。
• 主にトロイダル磁場を有する標準的な非回転ジェットモデルは、プラズマβおよび回転力がいずれも径方向平衡限界に近い場合を除き、回転によっても不安定のまま残る。
• 新しい磁場シアー駆動不安定性と圧力駆動モードが組み合わさることで、AGNジェット内部における粒子加速の持続的エネルギー源となり得る。
• 不安定性メカニズムはバルーンイング順序フレームワークにおいて頑健であり、電流駆動kinkモードではなく、場線曲率およびシアー効果に起因する。
• 解析により、ゆっくりとしたおよびアルヴェン的摂動は場線方向で準静的であり、高速摂動は圧縮性であることが示され、WKBに類似た近似が正当化される。