[논문 리뷰] Magnetically-driven jets from Keplerian accretion discs

Jonathan Ferreira|arXiv (Cornell University)|1996. 07. 11.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 73

한 줄 요약

이 논문은 케플러 운동을 하는 질량 집적 원판에서 자기력에 의해 구동되는 자기 일관성 있는 비상대론적 제트를 정확하게 원판의 질량 집적과 제트 역학을 결합함으로써 수립한다. 이는 제트의 분출 효율이 원판의 수직 평형과 각운동량 이동에 의해 엄격히 제약을 받음을 보여준다. 주요 결과는 제트가 자기 수축에 의해 점점 더 수축하면서 점 渐진적으로 재수축한다는 것이며, 안정적인 해를 위해 빠르기 수치 ωA는 단위 수준이어야 하며, 원판의 구조에 의해 최소 질량 유량이 제약을 받는다.

ABSTRACT

Non-relativistic, magnetically-driven jets are constructed by taking self-consistently into account the feedback on the underlying accretion disc. It is shown that such jets are mostly described by the ejection index $ξ= \mbox{d} \ln \dot M_a/ \mbox{d}\ln r$, which is a local measure of the disc ejection efficiency. This parameter is found to lie in a very narrow range, due to global disc-jets constraints. This investigation provided two important results. First, the disc vertical equilibrium imposes a minimum mass flux ejected. Second, their asymptotic behaviour critically depends on a fastness parameter $ω_A= Ω_*r_A /V_{Ap,A}$, ratio of the field lines rotation velocity to the poloidal Alfvén velocity at the Alfvén surface. This parameter must be bigger than, but of the order of, unity. Self-similar jets from Keplerian discs, after widening up to a maximum radius whose value increases with $ω_A$, always recollimate towards the jet axis, until the fast-magnetosonic critical point is reached. It is doubtful that such solutions could steadily cross this last point, the jet either ending there or rebouncing. Recollimation takes place because of the increasing effect of magnetic constriction. This systematic behaviour is due to the large opening of the magnetic surfaces, leading to such an efficient acceleration that matter always reaches its maximum poloidal velocity. This ``over-widening'' stems from having the same ejection efficiency $ξ$ in the whole jet. Realistic jets, fed with ejection indices varying from one magnetic surface to the other, would not undergo recollimation, allowing either cylindrical or parabolic asymptotic collimation.

연구 동기 및 목표

• 제트가 원판에 미치는 전체 피드백을 고려한 케플러 운동 원판에서 자기력에 의해 구동되는 제트를 모델링하기 위해.
• dlnṀa/dlnr로 정의된 분출 효율 매개변수 ξ에 대한 물리적 제약 조건을 규명하기 위해.
• 제트의 점 渐진적 거동과 재수축이 가능한 조건을 조사하기 위해.
• 원판 수직 평형 조건에 의해 결정되는 최소 질량 유량을 규명하기 위해.
• 빠르기 수치 ωA = Ω*rA/VAp,A가 제트의 수축성과 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 질량 집적-제트 시스템에 대한 자기역학(MHD) 방정식의 자기 일관성 있는 전역 해를 사용한다.
• 각운동량 및 질량 보존에서 유도된 국소적 분출 효율 측정치로 분출 지수 ξ를 적용한다.
• tidal, 자기압력(Br 및 Bϕ에 기인) 및 플라즈마 압력 힘의 균형을 통해 원판 수직 평형 조건을 도입한다.
• 저항도와 전류 밀도의 두 번째 차수 테일러 전개를 사용하여 원판 표면에서의 순환 자기장 Bϕ를 구한다.
• 알프레드 표면에서 회전 속도와 알프레드 다항 속도의 비율을 평가하기 위해 빠르기 수치 ωA를 유도한다.
• 진동항의 영향을 분석하여, 원판 위에서 Jr > 0을 유지하는 데서 Jr의 횡방향 전류 밀도의 역할을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원판 수직 평형은 분출할 수 있는 최소 질량 유량에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ2 빠르기 수치 ωA는 자기력에 의해 구동되는 제트의 점 渐진적 수축성과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 케플러 원판에서 유사한 형태의 제트는 항상 재수축하는가? 이 재수축을 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 분출 지수 ξ는 원판 전반에서 어떻게 변화하며, 그 값이 좁은 범위를 가지는 이유는 무엇인가?
• RQ5 빠르기-자기음속 임계점 이후에도 안정된 해가 존재할 수 있는가, 아니면 제트는 그 지점에서 종료되거나 반사되는가?

주요 결과

• 원판 수직 평형과 안정적인 각운동량 이동의 병합 효과로 인해 분출 지수 ξ는 좁은 범위로 엄격히 제약을 받는다.
• 원판 수직 평형은 분출에 최소 질량 유량을 제약을 가하며, 이는 임의로 낮은 분출 모델이 물리적으로 불가능함을 의미한다.
• 제트는 증가하는 자기 수축에 의해 점 渐진적으로 재수축하며, 이는 큰 자기 표면의 개방각과 높은 가속 효율성에 기인한다.
• 안정적인 제트 해를 얻기 위해 빠르기 수치 ωA는 1보다 크지만 그 주변에 있어야 하며(ωA ≈ 1), 이는 필수 조건이다.
• 유사한 형태의 제트는 ωA가 클수록 최대 반경이 증가하지만, 항상 빠르기-자기음속 임계점에 도달하기 전에 축 방향으로 재수축한다.
• 제트는 빠르기-자기음속 임계점에서 안정적으로 통과하기 어려워 보이며, 이는 그 지점에서 종료되거나 반사되는 경향이 있음을 시사한다.