[논문 리뷰] Magnetic processes in a collapsing dense core. II Fragmentation. Is there a fragmentation crisis ?

P. Hennebelle, Romain Teyssier|ArXiv.org|2007. 09. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 22인용 수 108

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 MHD 시뮬레이션을 사용하여 붕괴하는 밀도 핵에서 자기장이 분열을 억제하는 방식을 조사한다. 약한 초기 불안정성은 비균일한 회전으로 인한 토로이드형 자기장 성장에 의해 억제되며, 이로 인해 μ = 20까지 안정된 디스크가 형성된다; 그러나 큰 진폭의 불안정성은 고μ에서도 분열을 가능하게 하며, 이는 이차 붕괴와 같은 대안적 경로를 통해 이진성의 형성 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Abridged. A large fraction of stars are found in binary systems. It is therefore important for our understanding of the star formation process, to investigate the fragmentation of dense molecular cores. We study the influence of the magnetic field, ideally coupled to the gas, on the fragmentation in multiple systems of collapsing cores. We present high resolution numerical simulations performed with the RAMSES MHD code starting with a uniform sphere in solid body rotation and a uniform magnetic field parallel to the rotation axis. We pay particular attention to the strength of the magnetic field and interpret the results using the analysis presented in a companion paper. The results depend much on the amplitude, $A$, of the perturbations seeded initially. For a low amplitude, $A=0.1$, we find that for values of the mass-to-flux over critical mass-to-flux ratio, $μ$, as high as $μ= 20$, the centrifugally supported disk which fragments in the hydrodynamical case, is stabilized and remains axisymmetric. Detailed investigations reveals that this is due to the rapid growth of the toroidal magnetic field induced by the differential motions within the disk. For values of $μ$ smaller $\simeq 5$, corresponding to larger magnetic intensities, there is no centrifugally supported disk because of magnetic braking. When the amplitude of the perturbation is equal to $A=0.5$, each initial peak develops independently and the core fragments for a large range of $μ$. Only for values of $μ$ close to 1 is the magnetic field able to prevent the fragmentation. Since a large fraction of stars are binaries, the results of low magnetic intensities preventing the fragmentation in case of weak perturbations, is problematic. We discuss three possible mechanisms...

연구 동기 및 목표

• 자기장이 질량-자기율 비율(μ)과 초기 불안정성 진폭과의 관계에서 붕괴하는 밀도 핵의 분열에 어떻게 영향을 미치는지 규명하는 것.
• 표준 모델에서 자기장이 분열을 억제하는 데에도 불구하고 관측된 이진성의 흔함과 모순되는 '분열 위기'를 해결하는 것.
• 표준 디스크 분열이 실패하는 강한 자기장 조건에서 이진성 형성에 기여할 수 있는 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 토로이드형 자기장 성장, 자기장 브레이킹, 그리고 이차 붕괴와 같은 대안적 분열 경로의 역할 평가

제안 방법

• 자기장이 자전축에 따라 정렬된 균일한 자기장이 관통하는 균일하고 난류가 없는, 자전하는 핵을 사용하여 RAMSES 코드를 활용한 고해상도 MHD 시뮬레이션을 수행한다.
• 질량-자기율 비율 μ(1에서 1000까지)와 초기 불안정성 진폭 A(0.1 또는 0.5)를 변화시켜 분열에 미치는 영향을 분리 분석한다.
• 동반 논문(Hennebelle & Fromang 2007)의 분석 프레임워크를 활용하여 물질 붕착 및 분출 역학 및 자기장 진화를 해석한다.
• 디스크 내에서 비균일한 회전으로 인해 발생하는 토로이드형 자기장 성분의 성장을 추적하며, 이로 인한 알프레드 속도 증가에 의한 안정화 효과를 평가한다.
• 낮은 μ(강한 자기장) 조건에서, 자기장선이 지배하는 붕괴와 각운동량 제거가 이루어지는 자기장 브레이킹 효율성과 디스크 형성 여부를 분석한다.
• 특히 고μ 핵에서 이차 붕괴 단계 동안의 분열 가능성을 평가하여, 표준 모델이 실패하는 강한 자기장 조건에서의 이진성 형성 대안 경로를 검토한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 μ 값 조건에서, 특히 μ = 20일 때에도 자기장이 붕괴 핵의 디스크 분열을 억제할 수 있는가?
• RQ2 낮은 초기 불안정성 조건에서 자기장이 자전하는 디스크를 안정화시키는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 초기 불안정성 진폭이 크면(예: A = 0.5) 고μ 조건에서도 왜 분열이 지속되는가?
• RQ4 강한 자기장 조건에서 이차 붕괴 단계 동안의 분열이 이진성 형성에 대한 타당한 대안 경로가 될 수 있는가?
• RQ5 비균일한 핵의 초기 불균형성 또는 애벌리션 확산이 자기장이 작용하는 핵에서 분열 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 낮은 진폭의 불안정성(A = 0.1) 조건에서는, 토로이드형 자기장 성분의 급격한 성장으로 인해 자기장이 분열을 μ = 20까지 억제하며, 이는 효과적인 음속 증가에 의해 디스크 안정화가 이루어지기 때문이다.
• 이 안정화 효과는 자기장 브레이킹 때문이 아니라, 비균일한 자전을 하는 디스크 내에서 유의미해지는 유도된 토로이드형 자기장과 관련된 알프레드 속도 증가에 기인한다.
• μ < 5 조건에서는 자기장 브레이킹가 디스크 형성 자체를 방지하므로, 각운동량 손실로 인해 분열 가능성은 더욱 감소한다.
• 큰 초기 불안정성(A = 0.5) 조건에서는 다양한 μ 범위에서 분열이 발생하며, μ ≈ 1(거의 임계 자기장)일 때에만 분열이 억제된다.
• 결과적으로, 초기 핵에 충분한 대규모 불균형성 또는 이차 붕괴 단계에서의 분열이 존재할 경우, '분열 위기'의 해결 가능성이 제기된다.
• 이차 붕괴는 강한 자기장 조건에서도 디스크의 초기 분열 과정과 독립적으로 작용할 수 있으므로, 이는 강한 자기장 핵에서 이진성 형성에 있어 강력한 메커니즘이 될 수 있다.