[논문 리뷰] Magnetized accretion-ejection structures IV. Magnetically-driven jets from resistive, viscous, Keplerian discs

Fabien Casse, Jonathan Ferreira|arXiv (Cornell University)|1999. 11. 25.

Mechanics and Biomechanics Studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 냉각되고 등온적인 제트를 주도하는 자기장이 있는 정 steady-state, 자가유사적 모델을 제시한다. 이는 제트에서 기인한 자기력 토크와 디스크의 소산에 기인한 난류 점성 토크를 동시에 고려한다. 주요 발견은 고알프레드 마하 수를 가진 냉각 제트는 오직 약한 소산성, 얇은 디스크에서 이방성 난류 소산성에 의해만 가능하며, 알프레드 표면의 기하학적 제약으로 인해 점성 토크가 지배할 수 없다는 것이다.

ABSTRACT

We present steady-state calculations of self-similar magnetized accretion discs driving cold, adiabatic, non-relativistic jets. For the first time, both the magnetic torque due to the jets and a turbulent "viscous" torque are taken into account. This latter torque allows a dissipation of the accretion power as radiation at the disc surfaces, while the former predominantly provides jets with power. The parameter space of these structures has been explored. It is characterized by four free parameters, namely the disc aspect ratio and three MHD turbulence parameters, related to the anomalous magnetic diffusivities and viscosity. It turns out that launching cold jets from thin, dissipative discs implies anisotropic turbulent dissipation. Jets that asymptotically reach a high Alfvenic Mach number are only produced by weakly dissipative discs. We obtained general analytical relations between disc and jet quantities that must be fulfilled by any steady-state model of cold jets, launched from a large radial extension of thin discs. We also show that such discs cannot have a dominant viscous torque. This is because of the chosen geometry, imposing the locus of the Alfven surface. Some observational consequences of these cold magnetized accretion-ejection structures are also briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 냉각되고 등온적이며 비상대론적인 제트를 주도하는 정 steady-state, 자가유사적 자기장이 있는 디스크를 모델링하는 것.
• 제트 분출에서 기인한 자기력 토크와 디스크 소산에서 기인한 난류 점성 토크를 하나의 프레임워크 안에 통합하는 것.
• 이러한 시스템의 매개변수 공간을 탐색하고, 디스크의 두께비와 MHD 난류 매개변수에 집중하는 것.
• 냉각 제트가 높은 알프레드 마하 수를 가지며 얇고 소산성 디스크에서 어떻게 발사될 수 있는지 조건을 규명하는 것.
• 모든 정 steady-state 냉각 제트 모델에 대해 디스크 및 제트 양상 간의 일반적인 해석적 관계를 유도하는 것.

제안 방법

• 연구는 정 steady-state, 축대칭인 디스크 모델에서 자기유사적 해법을 사용하여 자기유체역학(MHD) 방정식을 적용한다.
• 운동량 및 에너지 방정식에 제트에 의해 유도되는 자기력 토크와 이방성 확산성과 점성에 기인한 난류 점성 토크를 포함한다.
• 디스크는 얇고 케플러 운동이며 저항성이 있으며, 자기 확산성과 점성의 반경 방향 의존성을 사전에 정의한다.
• 기하학적 제약에 의해 알프레드 표면의 위치가 고정되며, 이는 자기장이 기체 압력보다 지배적인 위치를 의미한다.
• 자기유사적 가정과 보존 법칙을 사용하여 디스크 및 제트 양상 간의 해석적 관계를 도출한다.
• 네 개의 자유 매개변수(디스크 두께비와 MHD 난류 매개변수 세 개)를 사용하여 매개변수 공간을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얇고 저항성이며 점성 있는 케플러 운동 디스크에서 냉각되고 등온적인 제트는 어떤 조건에서 발사될 수 있는가?
• RQ2 자기력 토크와 점성 토크의 상대 기여가 제트의 에너지와 디스크 구조에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 이방성 난류 소산성은 고알프레드 마하 수 제트를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 비록 점성 토크가 소산 역할을 하더라도 기하학적 구조상 알프레드 표면의 위치가 고정되어 있음에도 불구하고 왜 점성 토크가 지배할 수 없는가?
• RQ5 모든 정 steady-state 냉각 제트 모델에서 디스크 및 제트 양상 간에 어떤 일반적인 해석적 관계가 성립해야 하는가?

주요 결과

• 고알프레드 마하 수를 가진 냉각 제트는 오직 약한 소산성 디스크에서만 생성 가능하며, 이는 제트 발사 영역에서 에너지 소산에 엄격한 제한이 있음을 시사한다.
• 이방성 난류 소산성—즉, 확산성과 점성이 서로 같지 않은 경우—는 얇고 소산성 디스크에서 냉각 제트를 발사하는 데 필수적인 조건이다.
• 기하학적 제약으로 인해 알프레드 표면의 위치가 고정되어 있어 점성 토크는 축적 과정에서 지배할 수 없으며, 이는 제트 발사 영역에서 자기력 토크가 유리하다는 것을 의미한다.
• 이 모델은 얇은 디스크에서 어떤 정 steady-state 냉각 제트 모델이든 성립해야 할 디스크 및 제트 양상 간의 일반적인 해석적 관계를 수립한다.
• 점성 토크와 자기력 토크를 동시에 포함함으로써, 디스크 표면에서의 축적 에너지 소산과 자기장에 의한 제트 에너지 추출을 일관되게 기술할 수 있다.