[論文レビュー] The baroclinic instability in the context of layered accretion. Self-sustained vortices and their magnetic stability in local compressible unstratified models of protoplanetary disks

Wladimir Lyra, Hubert Klahr|Max Planck Institute for Plasma Physics|Nov 2, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 26被引用数 54

ひとこと要約

本研究は、原始惑星系円盤の磁化・圧縮性・非層化されたシーリングボックスモデルにおける斜温不安定性（BI）を調査し、磁場がガスと強く結合している場合、BIによって生成された渦が磁気不安定性—特に磁気楕円不安定性—によって急速に破壊されることを明らかにした。MRIは成長率および飽和度においてBIを上回り、磁化活性領域ではBIが無力化されるが、磁場結合が弱い低イオン化デッドゾーンでは渦が生存可能である。

ABSTRACT

Turbulence and angular momentum transport in accretion disks remains a topic of debate. With the realization that dead zones are robust features of protoplanetary disks, the search for hydrodynamical sources of turbulence continues. A possible source is the baroclinic instability (BI), which has been shown to exist in unmagnetized non-barotropic disks. We present shearing box simulations of baroclinicly unstable, magnetized, 3D disks, in order to assess the interplay between the BI and other instabilities, namely the magneto-rotational instability (MRI) and the magneto-elliptical instability. We find that the vortices generated and sustained by the baroclinic instability in the purely hydrodynamical regime do not survive when magnetic fields are included. The MRI by far supersedes the BI in growth rate and strength at saturation. The resulting turbulence is virtually identical to an MRI-only scenario. We measured the intrinsic vorticity profile of the vortex, finding little radial variation in the vortex core. Nevertheless, the core is disrupted by an MHD instability, which we identify with the magneto-elliptic instability. This instability has nearly the same range of unstable wavelengths as the MRI, but has higher growth rates. In fact, we identify the MRI as a limiting case of the magneto-elliptic instability, when the vortex aspect ratio tends to infinity (pure shear flow). We conclude that vortex excitation and self-sustenance by the baroclinic instability in protoplanetary disks is viable only in low ionization, i.e., the dead zone. Our results are thus in accordance with the layered accretion paradigm. A baroclinicly unstable dead zone should be characterized by the presence of large-scale vortices whose cores are elliptically unstable, yet sustained by the baroclinic feedback. As magnetic fields destroy the vortices and the MRI outweighs the BI, the active layers are unmodified.

研究の動機と目的

• 磁化・圧縮性・局所的原始惑星系円盤モデルにおける斜温不安定性（BI）が、大規模な渦を生成・維持できるかどうかを評価すること。
• 渦の安定性におけるBI、磁気回転不安定性（MRI）および磁気楕円不安定性の相互作用を特定すること。
• 磁場、抵抗率、および磁場配置（垂直、方位、ゼロ・ネットフラックス）がBI駆動渦の破壊または保存に果たす役割を評価すること。
• BIがデッドゾーンにおける乱流源であると仮定した場合、段階的降着パラダイムが依然として成立するかを検証すること。
• MRIの活動が強くない条件下で、BIが自己持続的渦を生じる条件を特定すること。

提案手法

• シーリングボックス近似を用いてPencil Codeを用いて、圧縮性・非層化された局所的数値実験を実施した。
• 斜温不安定性を駆動するための線形化されたエントロピー勾配を導入し、浮力による渦の生成とフィードバックを可能にした。
• 圧縮性流体力学フレームワークを用い、らせん状密度波の励起と角運動量輸送の測定を可能にした。
• MRIおよび磁気楕円不安定性の効果を分離するために、磁場強度、配置（垂直、方位、ゼロ・ネットフラックス）、抵抗率を変化させた。
• 時間分解診断（渦度の二乗、運動エネルギーおよび磁気エネルギー、αパラメータなど）を用いて、渦の進化、磁場増幅、乱流の飽和度を追跡した。
• 不安定な波長範囲の分析と渦核内におけるチャネルフローの形成をもとに、磁気楕円不安定性が主要な破壊機構であると特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元の磁化・圧縮性・非層化された原始惑星系円盤モデルにおいて、斜温不安定性は大規模な渦を維持可能か？
• RQ2 磁気楕円不安定性は、MRIと比較してBIによって生成された渦の安定性にどのように影響するか？
• RQ3 磁場強度、配置、抵抗率が、斜温駆動渦の生存または破壊に果たす役割は何か？
• RQ4 MRIは磁場結合領域でBIを抑制するか？また、BIは磁場結合が弱く、低イオン化なゾーンでのみ持続可能か？
• RQ5 渦核内ではストロベリィの不均一性が顕著に現れ、これが磁気不安定性への感受性にどのように影響するか？

主な発見

• 磁場を含むと、斜温によって生成された渦は急速に破壊され、MRIが成長率および飽和振幅で支配的である。
• MRIとほぼ同じ不安定な波長範囲を示す磁気楕円不安定性は、より速やかに成長し、チャネルフローを介して渦の空間的整合性を破壊する。
• MRIは、渦のアスペクト比が無限大に近づく（純粋なせん断流）場合の磁気楕円不安定性の極限的ケースとして特定された。
• 強い垂直磁場は、渦核内での磁場の急速な増幅を引き起こし、数個の公転周期で渦が破壊される。
• 磁場のロングウェーブ長に対する磁気レイノルズ数が1に近い（Re_M ≲ 2）と、抵抗率がMRIおよび磁気楕円不安定性を抑制し、MRI発現までの間、渦の生存が可能になる。
• 一定の方位磁場およびゼロ・ネットフラックス磁場も、磁気楕円不安定性を介して渦の破壊を引き起こすため、この不安定性は磁場配置に依存せず安定に働くことが示された。