[論文レビュー] The galactic dynamo effect due to Parker-shearing instability of magnetic flux tubes. I. General formalism and the linear approximation

M. Hanasz, H. Lesch|ArXiv.org|Oct 22, 1996

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、微分回転する銀河ディスク内の磁気的フラックスチューブのパークァー剪断不安定性に起因する銀河ダイナモ機構を提案する。宇宙線および密度波を組み込んだもので、薄いフラックスチューブ形式と線形安定性解析を用いて、弱い磁場における強い$α$-効果、渦巻き腕におけるダイナモ作用の増幅、および非腕領域における磁場の整列を示した。これらの結果は、最近の銀河磁場観測と整合的である。

ABSTRACT

In this paper we investigate the idea of Hanasz & Lesch 1993 that the galactic dynamo effect is due to the Parker instability of magnetic flux tubes. In addition to the former approach, we take into account more general physical conditions in this paper, by incorporating cosmic rays and differential forces due to the axisymmetric differential rotation and the density waves as well. We present the theory of slender magnetic flux tube dynamics in the thin flux tube approximation and the Lagrange description. This is the application of the formalism obtained for solar magnetic flux tubes by Spruit (1981), to the galactic conditions. We perform a linear stability analysis for the Parker-shearing instability of magnetic flux tubes in galactic discs and then calculate the dynamo coefficients. We present a number of new effects which are very essential for cosmological and contemporary evolution of galactic magnetic fields. First of all we demonstrate that a very strong dynamo $α$-effect is possible in the limit of weak magnetic fields in presence of cosmic rays. Second, we show that the differential force resulting from axisymmetric differential rotation and the linear density waves causes that the $α$-effect is essentially magnified in galactic arms and switched off in the interarm regions. Moreover, we predict a non-uniform magnetic field in spiral arms and well aligned one in interarm regions. These properties are well confirmed by recent observational results by Beck & Hoernes (1996)

研究の動機と目的

• 現実的な銀河的条件下で、パークァー不安定性機構を拡張し、銀河ダイナモ作用を説明すること。
• フラックスチューブダイナミクスモデルに宇宙線および微分回転と密度波を統合すること。
• 銀河ディスク内の磁気的フラックスチューブの線形安定性解析を用いてダイナモ係数を導出すること。
• 渦巻き腕と非腕領域における空間的に変化する磁場構造を予測すること。
• 理論的予測を銀河磁場に関する観測データと一致させること。

提案手法

• スプライト（1981）の太陽フラックスチューブ形式をラグランジュ記述を用いて銀河スケールの薄いフラックスチューブに適応する。
• 軸対称的で微分回転する銀河ディスクにおける磁気的フラックスチューブを、薄いフラックスチューブ近似でモデル化する。
• 宇宙線の圧力および微分回転と線形密度波からの力（力の項）を運動方程式に組み込む。
• 線形安定性解析を実施し、パークァー剪断不安定性がダイナモ作用の駆動要因であることを同定する。
• 不安定性の成長率とフラックスチューブのダイナミクスからダイナモ$α$-効果を計算する。
• この形式を用いて、渦巻き腕と非腕領域における磁場強度および整列の空間的変動を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気的フラックスチューブのパークァー剪断不安定性は、銀河ディスクで顕著なダイナモ$α$-効果を生成できるか？
• RQ2 宇宙線は、銀河ダイナモにおける$α$-効果の強度と空間的分布にどのように影響するか？
• RQ3 微分回転と密度波は、渦巻き腕と非腕領域におけるダイナモ作用の調節に果たす役割は何か？
• RQ4 本モデルは、渦巻き腕における非一様な磁場構造と非腕領域における整列磁場を予測できるか？
• RQ5 理論的予測は、最近の銀河磁場観測データとどの程度一致するか？

主な発見

• 宇宙線を含む弱い磁場の極限において、顕著なダイナモ$α$-効果が出現し、磁場増幅が著しく強化される。
• 微分回転と密度波の併存により、渦巻き腕領域では$α$-効果が顕著に増幅されるが、非腕領域では抑制される。
• 本モデルは、ベック＆フォーンズ（1996）の観測的証拠と整合的な、渦巻き腕領域における非一様な磁場構造を予測する。
• 非腕領域では、磁場が良好に整列しており、観測された磁場形状と一致する。
• 大規模な流れによる$α$-効果の空間的変調が、腕領域と非腕領域における磁場特性の観測された対比を説明する。
• 理論的枠組みは、フラックスチューブ不安定性と宇宙線の結合を通じて、銀河磁場の観測された大規模組織をうまく説明できる。