[論文レビュー] Two-component magnetohydrodynamical outflows around young stellar objects Interplay between stellar magnetospheric winds and disc-driven jets

Z. Méliani, Fabien Casse+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 50被引用数 42

ひとこと要約

本研究は、若い原始星の周囲における結合した星風と降着円盤駆動ジェットの、初めての自己整合的2次元非理想磁気力学(非理想MHD)シミュレーションを提示する。熱的およびローレンツ力による星風の加速と、円盤ジェットにおける磁気遠心力加速が組み合わさることで、質量放出が増加し、ジェットのコリメーションが強化される。密度の高い星風は、円盤駆動ジェットの径方向拡大と質量放出率を顕著に増加させ、シミュレーション結果を観測とよりよく一致させる。

ABSTRACT

We present the first-ever simulations of non-ideal magnetohydrodynamical (MHD) stellar magnetospheric winds coupled with disc-driven jets where the resistive and viscous accretion disc is self-consistently described. These innovative MHD simulations are devoted to the study of the interplay between a stellar wind (having different ejection mass rates) and an MHD disc-driven jet embedding the stellar wind. The transmagnetosonic, collimated MHD outflows are investigated numerically using the VAC code. We first investigate the various angular momentum transports occurring in the magneto-viscous accretion disc. We then analyze the modifications induced by the interaction between the two components of the outflow. Our simulations show that the inner outflow is accelerated from the central object's hot corona thanks to both the thermal pressure and the Lorentz force. In our framework, the thermal acceleration is sustained by the heating produced by the dissipated magnetic energy due to the turbulence. Conversely, the outflow launched from the resistive accretion disc is mainly accelerated by the magneto-centrifugal force.}{The simulations show that the MHD disc-driven outflow extracts angular momentum more efficiently than do viscous effects in near-equipartition, thin-magnetized discs where turbulence is fully developed. We also show that, when a dense inner stellar wind occurs, the resulting disc-driven jet has a different structure, namely a magnetic structure where poloidal magnetic field lines are more inclined because of the pressure caused by the stellar wind. This modification leads to both an enhanced mass-ejection rate in the disc-driven jet and a larger radial extension that is in better agreement with the observations, besides being more consistent.

研究の動機と目的

• 非理想MHDを用いて、若い原始星(YSO)における星磁気圏風と円盤駆動ジェットの相互作用をモデル化すること。
• 降着円盤内の抵抗性および粘性過程が角運動量輸送と噴出流構造に与える影響を調査すること。
• 星風の質量損失率が円盤駆動ジェットの発射の形態と効率に与える影響を特定すること。
• 乱流加熱および磁気エネルギー散逸が星風の加速とジェット構造の変化に果たす役割を評価すること。
• 星風の加速を含む、両方の噴出流の自己整合的発射とコリメーションを達成すること、特に星風の亜アルヴェン速度注入からの加速を含むこと。

提案手法

• 有限体積法を用いた2次元軸対称抵抗性MHD方程式を解くために、VACコードを用いた数値的シミュレーション。
• 抵抗性および粘性効果を含む、磁気粘性降着円盤の自己整合的モデル化。磁気エネルギー散逸に起因する乱流加熱も含む。
• 星風は亜アルヴェン速度で注入され、熱的圧力およびローレンツ力によって加速される。抵抗性加熱は連続的エネルギー源としてモデル化される。
• 円盤駆動ジェットは磁気遠心力加速によって発生し、ポリオイダル磁場線がコリメーションを提供する。
• 両方の噴出流の相互作用を動的シミュレーションし、磁場幾何学的形状およびジェットコリメーションへのフィードバックを可能にする。
• ジェット構造および効率への影響を評価するため、変動する星風質量損失率（最大10⁻⁷ M☉/yr）を含むシミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度の高い星風が、円盤駆動MHDジェットの構造およびコリメーションにどのように影響を与えるか？
• RQ2 非理想MHD状態において、熱的圧力とローレンツ力が星風を加速するにあたり、それぞれが果たす相対的寄与は何か？
• RQ3 星風内の乱流加熱が、その最終速度および質量放出率をどの程度向上させるか？
• RQ4 星風は、円盤駆動ジェットの磁場配置および径方向拡大にどのように影響を与えるか？
• RQ5 円盤駆動ジェットの形態と効率を顕著に変化させるために必要な星風質量損失率の閾値は何か？

主な発見

• 星風は、散逸した磁気エネルギーに起因する抵抗性加熱によって熱的に加速され、乱流加熱により最終速度が向上する。
• 円盤駆動ジェットは主に磁気遠心力によって加速され、薄く等エネルギー状態に近い円盤では、粘性過程よりも角運動量を効率的に抽出する。
• 星風質量損失率が約10⁻⁷ M☉/yrに達すると、円盤駆動ジェットの径方向拡大が2倍に増加し、質量放出率は内側円盤降着率の50％にまで上昇する。
• 星風からの圧力により、円盤駆動ジェット内の磁場線がより傾斜するようになり、より強いコリメーションとよりシリンダ形に近いジェット構造が生じる。
• 両方の噴出流の相互作用により、二重層構造のジェットが形成され、星風が円盤ジェットの外側領域を形作る。
• シミュレーションでは、抵抗性加熱が降着エネルギーの約35％を占めており、星風の加速と効率を顕著に向上させている。