[論文レビュー] Temporal evolution of magnetic molecular shocks I. Moving grid simulations

P. Lesaffre, J.-P. Chièze+2 more|ArXiv.org|Jul 28, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 45被引用数 33

ひとこと要約

本稿では、平均自由行程まで解像する自己適合移動グリッドと陰解法を用いた時間依存1次元多流体磁気力学的シミュレーションにより、磁気分子衝撃波の研究が行われている。長時間スケールでの定常C型衝撃波の妥当性が検証され、音速点形成以前の最大C型衝撃波速度が特定され、H₂解離/再形成および衝突電離駆動の振動が磁場によって抑制されることも明らかになった。

ABSTRACT

We present time-dependent 1D simulations of multifluid magnetic shocks with chemistry resolved down to the mean free path. They are obtained with an adaptive moving grid implemented with an implicit scheme. We examine a broad range of parameters relevant to conditions in dense molecular clouds, with preshock densities between 10^3 and 10^5 cm-3, velocities between 10 and 40 km/s, and three different scalings for the transverse magnetic field: B=0,0.1,1 μG \sqrt{n.cm3}. We first use this study to validate the results of Chièze, Pineau des Forêts & Flower (1998), in particular the long delays necessary to obtain steady C-type shocks, and we provide evolutionary time-scales for a much greater range of parameters. We also present the first time-dependent models of dissociative shocks with a magnetic precursor, including the first models of stationary CJ shocks in molecular conditions. We find that the maximum speed for steady C-type shocks is reached before the occurrence of a sonic point in the neutral fluid, unlike previously thought. As a result, the maximum speed for C-shocks is lower than previously believed. Finally, we find a large amplitude bouncing instability in J-type fronts near the H2 dissociation limit (u ~ 25-30 km/s), driven by H2 dissociation/reformation. At higher speeds, we find an oscillatory behaviour of short period and small amplitude linked to collisional ionisation of H. Both instabilities are suppressed after some time when a magnetic field is present. In a companion paper, we use the present simulations to validate a new semi-analytical construction method for young low-velocity magnetic shocks based on truncated steady-state models.

研究の動機と目的

• 高時間・高空間分解能を用いて、高密度分子雲における多流体磁気的衝撃波の時間的発展をモデル化すること。
• Chièzeら（1998）が提示した時間伸長法による予測の進化スケールおよび定常状態の挙動を検証すること。
• 磁場の影響下で、CJ型および定常衝撃波を含む解離的・部分電離衝撃波の形成を調査すること。
• H₂化学、電離、冷却が振動不安定性を駆動するメカニズムと、それらが磁場によってどのように抑制されるかを検討すること。
• 時間依存データを基盤として、若年性・低速度磁気的衝撃波の半アナリティカルモデルを構築する基盤を確立すること。

提案手法

• 平均自由行程まで衝撃波を解像できる自己適合移動グリッドと陰解法時間積分スキームの実装。
• 中性粒子、イオン、電子の多流体MHDフレームワークを採用し、化学反応とエネルギー方程式を連成。
• H₂準位集団の詳細な取り扱いと冷却の導入。H₂、CO、H₂O、OHの分子冷却を含み、LVG処理を想定。
• 密度10³–10⁵ cm⁻³、速度10–40 km s⁻¹、横磁場はB ∝ √nに比例してスケーリングする広範なパラメータ空間での衝撃波シミュレーション。
• 化学平衡の仮定を避け、非平衡化学および冷却を明示的に取り扱う。
• 衝撃波フロントおよび急変領域にグリッドの細分化を集中させ、不連続性およびプリカリューダ構造の解像を可能に。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の分子雲条件下で、C型衝撃波が定常状態に達するまでに要する進化スケールは何か？
• RQ2 磁場の存在が、特に解離領域におけるC型およびJ型衝撃波の形成と安定性にどのように影響するか？
• RQ3 衝撃波フロントの振動不安定性を引き起こす物理的メカニズムは何か？また、流入速度および密度にどのように依存するか？
• RQ4 中性流体における音速点形成以前に、定常C型衝撃波の最大速度が現れるのはどの段階か？
• RQ5 H₂解離/再形成および水素の衝突電離が一時的振動を駆動する程度は何か？また、磁場によってそれらは抑制可能か？

主な発見

• 定常C型衝撃波は非常に長い時間スケールを要する—最大で10⁵年の数倍にのぼり、時間伸長法による先行研究の妥当性が裏付けられ、定常状態モデルが初期衝撃進化を反映していない可能性が示された。
• 定常C型衝撃波の最大速度は、中性流体における音速点形成以前に現れる。これは従来の仮定に反し、C型衝撃波速度の上限が従来推定値より低くなる可能性を示唆している。
• 2種類の異なる振動不安定性が特定された：H₂解離/再形成に起因する大型振幅のバウンシング不安定性（u ≈ 25–30 km s⁻¹付近）、および高衝撃速度における水素衝突電離に起因する短周期・小振幅の振動。
• 磁場が存在する場合、特に磁場プリカリューダが蓄積することで、時間経過とともにこれらの振動が抑制される。磁場による衝撃構造の安定化が示唆された。
• 本研究では、分子的条件下における最初の時間依存CJ型定常衝撃波モデル、および磁場プリカリューダを伴う解離的衝撃波モデルが提示された。
• グリッド解像度および数値パラメータが振動の振幅および周期に影響を与えることから、不安定性の特徴づけに数値アーチファクトが影響している可能性があり、正確な予測には線形安定性解析が必要であることが示唆された。