[논문 리뷰] Discs and outflows in the early phases of massive star formation: influence of magnetic fields and ambipolar diffusion

B. Commerçon, M. González외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 22.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 139인용 수 47

한 줄 요약

이 연구는 대량 성간핵 붕괴의 고해상도 3차원 적응격자형 분석을 통해 자기장과 비틀림 확산(AD)이 질량 응집, 분출, 디스크 형성에 미치는 영향을 조사한다. 자기장 과정이 초기 진화를 지배하며, AD는 디스크의 자기장 구조를 반전시킨다. 이상 MHD는 토로이드형 지배, 자기압력이 지배하는 디스크(β < 1)를 생성하는 반면, 저항성 MHD는 내부 영역(R < 100–200 au)에서 수직 자기장과 열압력 지배 디스크를 형성하여, 디스크의 구조와 안정성에 근본적인 영향을 미친다.

ABSTRACT

We study mass accretion and ejection in the vicinity of massive star forming cores using high-resolution (5 au) 3D AMR numerical simulations. We investigate the mechanisms at the origin of outflows and characterise the properties of the disc forming around massive protostars. We include both protostellar radiative feedback via PMS evolutionary tracks and magnetic ambipolar diffusion. We studied 3 different cases: purely hydrodynamical, ideal MHD, and ambipolar diffusion. In the resistive models, we investigate the effects the initial amplitude of both magnetic field and rotation have on the properties of the massive protostellar system. We use simple criteria to identify the outflow and disc material and follow their evolution as the central star accretes mass up to 20 solar mass. The outflow is completely different when magnetic fields are introduced, so that magnetic processes are the main driver of the outflow up to stellar masses of ~20 solar mass. The disc properties depend on the physics included. The disc formed in the ideal and resistive runs show opposite properties in terms of plasma beta and of magnetic fields topology. While the disc in the ideal case is dominated by the magnetic pressure and the toroidal magnetic fields, the one formed in the resistive runs is dominated by the thermal pressure and has essentially vertical magnetic fields in the inner regions (R<200 au). We find that magnetic processes dominate the early evolution of massive protostellar systems (<20 solar mass) and shapes the accretion/ejection as well as the disc formation. Ambipolar diffusion is mainly at work at disc scales and regulates its properties. Our finding for the outflow and disc properties are reminiscent of low-mass star formation, suggesting that accretion and ejection in young massive and low-mass protostars are regulated by the same physical processes at the early stages.

연구 동기 및 목표

• 대량 원시별 형성의 초기 단계에서 자기장과 비틀림 확산이 질량 응집과 분출에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 대량 원시별에서 분출을 이끄는 힘의 원천이 복사력인지 자기력인지에 대한 논의를 해결하기 위해.
• 이deal MHD와 저항성 MHD를 포함한 다양한 물리 조건에서 디스크의 질량, 반경, 자기장 구조를 특성화하기 위해.
• 초기 자기장 강도와 강체 회전이 최종 원시별 시스템에 미치는 영향을 시험하기 위해.
• 고해상도 관측을 위한 검증 가능한 예측을 제공하기 위해 대량 청소년별의 디스크와 분출에 대해.

제안 방법

• 저항성 회색 복사-MHD 방정식를 사용하여 대량 밀도 핵 붕괴의 3차원 적응격자형(AMR) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 원시별 진화를 전주계열진화 궤적을 통합하여 복사 피드백을 자동으로 모델링하였다.
• 20 M⊙까지 질량 응집과 분출을 시간에 따라 추적하기 위해 싱크 입자를 구현하였다.
• 주요 시뮬레이션 3종을 수행: 순수 유체역학, 이상 MHD(완전한 결합), 저항성 MHD(비틀림 확산 포함).
• 파arameter 공간 영향을 조사하기 위해 초기 자기장 강도와 회전 속도를 다양하게 설정하였다.
• 디스크와 분출 물질을 식별하고 추적하기 위해 물리적 기준을 사용하였으며, 복사, 자기장, 유체역학적 특성을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대량 원시별에서 분출을 이끄는 주요 메커니즘은 복사력인지 자기력인지?
• RQ2 자기장과 비틀림 확산은 대량 별 형성 핵에서 디스크 형성과 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 초기 자기장 강도와 회전 속도가 최종 디스크 및 분출 특성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 이상 MHD와 저항성 MHD 영역에서 대량 원시별 디스크의 플라즈마 비(β)와 자기장 구조는 어떻게 다른가?
• RQ5 대량 원시별의 응집 및 분출 메커니즘은 저질량 원시별의 것과 얼마나 유사한가?

주요 결과

• 자기장이 대량 원시별 시스템의 초기 진화(M⋆ < 20 M⊙)를 지배하며, 자석 중심력 과정이 분출의 주요 원동력이다.
• 저항성 MHD의 경우 내부 디스크(R < 100–200 au)는 수직 자기장이 관통하며 열압력 지배(β > 1)이지만, 이상 MHD의 경우 토로이드형 지배, 자기압력 지배(β < 1) 디스크와 뚜렷한 대비를 이룬다.
• 저항성 MHD 디스크는 저항 효과로 인해 내부 영역에서 중력 불안정성을 보이며, 외부 영역은 여전히 자기장으로 연결되어 안정하다.
• 디스크 질량과 반경은 비이상 MHD 물리의 포함 여부에 따라 크게 달라지며, 저항성 모델은 독특한 자기장 구조와 열압력 지배를 특징으로 한다.
• 대량 원시별의 분출 및 디스크 특성은 저질량 별 형성과 유사하여, 초기 단계에서 응집과 분출이 질량 스펙트럼 전반에 걸쳐 동일한 물리 과정에 의해 조절된다는 것을 시사한다.
• 분출이 자기장 모델에서 자동으로 생성될 경우, 복사가 통과할 수 있는 통로를 분출이 청소하는 '손전등 효과'는 여전히 유효하다.