[論文レビュー] Self-organisation in protoplanetary disks: global, non-stratified Hall-MHD simulations

William Béthune, Geoffroy Lesur+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 40被引用数 41

ひとこと要約

本研究では、原始惑星系円盤のグローバルで非層化されたホール-MHDシミュレーションにおいて、ホール効果が磁気転移不安定性（MRI）乱流を、ゾーンフローや長寿命の磁化渦といった大規模構造へ自己組織化させることを示している。主な結果は、ホール効果の強度を増すことで乱流輸送が抑制され、ほんのりと軸対称なリングや渦が自発的に形成され、ほこり粒子を捕捉可能となることである。これは、観測された円盤構造を説明するための惑星を必要としないメカニズムを提供する。

ABSTRACT

Recent observations revealed organised structures in protoplanetary disks, such as axisymmetric rings or horseshoe concen- trations evocative of large-scale vortices. These structures are often interpreted as the result of planet-disc interactions. However, these disks are also known to be unstable to the magneto-rotational instability (MRI) which is believed to be one of the dominant angular momentum transport mechanism in these objects. It is therefore natural to ask if the MRI itself could produce these structures without invoking planets. The nonlinear evolution of the MRI is strongly affected by the low ionisation fraction in protoplanetary disks. The Hall effect in particular, which is dominant in dense and weakly ionised parts of these objects, has been shown to spontaneously drive self- organising flows in shearing box simulations. Here, we investigate the behaviour of global MRI-unstable disc models dominated by the Hall effect and characterise their dynamics. We perform 3D unstratified Hall-MHD simulations of keplerian disks for a broad range of Hall, ohmic and ambipolar Elsasser numbers. We confirm the transition from a turbulent to an organised state as the intensity of the Hall effect is increased. We observe the formation of zonal flows, their number depending on the available magnetic flux and on the intensity of the Hall effect. For intermediate Hall intensity, the flow self-organises into long-lived magnetised vortices. Neither the addition of a toroidal field nor ohmic or ambipolar diffusion drastically change this picture in the range of parameters we have explored. The ability of these structures to trap dust particles in this configuration is demonstrated. We conclude that Hall-MRI driven organisation is a plausible scenario which could explain some of the structures found in recent observations.

研究の動機と目的

• 惑星を仮定せず、ホール効果がMRI不安定な原始惑星系円盤における自己組織化を引き起こすかどうかを調査すること。
• グローバルで非層化されたシミュレーションにおけるホール-MHDダイナミクスが、ゾーンフローと渦といった大規模構造をどのように生成するかを特定すること。
• オームおよびアンビパラダイアルの磁気拡散率の変化や初期のトロイダル磁場の違いに対して、自己組織化の頑健性を評価すること。
• これらの自己組織化構造が、リングや非対称な捕捉構造といった観測的特徴に関連するほこり粒子を効果的に捕捉できるかを評価すること。
• ホール効果がグローバルな円盤配置において、乱流輸送を抑制し、層流的で大規模な流れを維持できるかをテストすること。

提案手法

• ケプラーラン背景流れと軸対称磁場を有する3次元グローバルで非層化されたホール-MHDシミュレーションを、PLUTOコードを用いて実施。
• 精度を高めるために、円筒座標系におけるスペクトル法を用いてホール効果を実装・検証。
• ホール、オーム、アンビパラダイアルのエリッサーサー数の広範なパラメータ空間を体系的に探索。
• パラメータ空間の遷移を追跡するための主な制御変数として、ホールパラメータ ℒ（ホール・エリッサーサー数）を用いる。
• 磁気応力、速度摂動、磁場トポロジーの分析により、ゾーンフローと渦を同定。
• 自己組織化の頑健性を検証するため、ネットトロイダル磁場と拡散効果（オームおよびアンビパラダイアル）を含める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホール効果は、グローバルで非層化されたMRI不安定な原始惑星系円盤において、大規模な自己組織化を引き起こすことができるか？
• RQ2 ホール効果の強度を増すと、乱流状態から組織化状態への遷移にどのように影響するか？
• RQ3 ホール-MRIダイナミクスから生じる一貫性のある構造（ゾーンフローまたは渦）はどのようなものか？また、磁束とホール強度に依存するか？
• RQ4 拡散効果（オームおよびアンビパラダイアル）を含めても、自己組織化構造は安定で、ほこり粒子の捕捉に有効であるか？
• RQ5 初期のトロイダル磁場および拡散率パラメータの変化に対して、自己組織化メカニズムは頑健か？

主な発見

• 乱流状態から組織化状態への遷移は、ホール・エリッサーサー数 ℒ ≈ 0.1 で発生し、自己組織化の臨界閾値を確認した。
• ℒ ≳ 1 の場合、長寿命の軸対称ゾーンフローが形成され、利用可能な磁束とホール強度に応じてその数が増加し、幅約 ~h の磁場が蓄積されたバンドを形成する。
• 中程度のホール強度（ℒ ~ 0.1–1）では、大規模で安定した磁化渦が自発的に形成され、局所的シーリングボックスシミュレーションでは径方向範囲が限られるため得られなかった特徴である。
• ネットトロイダル磁場や拡散効果（オームおよびアンビパラダイアル）を追加しても、自己組織化プロセスは破壊されず、構造は時間とともにゆっくりと合体を繰り返す。
• アンビパラダイアル拡散は、純粋なホール-MRIに比べて、より低いホールパラメータ ℒ でも自己組織化を可能にし、組織化のパラメータ範囲を広げる。
• 自己組織化構造（特に渦とゾーンフロー）はほこり粒子を捕捉可能であり、これはALMA観測で観測されたリングや非対称な捕捉構造を説明する、惑星を必要としない有効なメカニズムを示唆する。