[논문 리뷰] Magnetized accretion-ejection structures V. Effects of entropy generation inside the disc

Fabien Casse, Jonathan Ferreira|arXiv (Cornell University)|2000. 08. 16.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 점성 난류에 의한 엔트로피 생성을 포함한 자기장이 있는 낙하원반의 정 steady-state MHD 시뮬레이션을 제시하며, 열역학적 효과가 제트 분출 효율을 극적으로 향상시켜 표준 모델에서의 질량 적재 파라미터 ξ ≈ 0.01 에서 코로나가 가열된 원반에서는 최대 ξ ≈ 0.5 로 증가함을 보여준다. 열역학 물리가 포함된 모델은 빠른 및 느린 자기장 회전자 모두를 가능하게 하며, 제트 특성이 원반의 에너지 구조에 따라 결정됨을 시사하여 제트 생성 시스템의 '에너지 문제'를 해결한다.

ABSTRACT

In this paper, steady-state MHD calculations of non-relativistic magnetized accretion discs driving jets are presented. For the first time, an energy equation describing the effects of entropy generation along streamlines is included. Using a simplified approach, we showed that thermal effects have a tremendous influence on the disc capability to feed jets with mass. The disc ejection efficiency is measured by the parameter $\\xi= d \\ln \\dot{M}_{a}/d \\ln{r}$, where $ \\dot{M}_{a}(r)$ is the local disc accretion rate. While previous self-similar solutions were only able to produce jets with $\\xi \\sim 0.01$, solutions with a coronal heating display huge efficiencies up to $\\xi \\sim 0.5$. Moreover, taking thermal effects into account allows to obtain both fast and slow magnetic rotators. Since most of the jet properties (like asymptotic velocity or degree of collimation) depend on the mass load, it arises from this study that any quantitative result requires a detailled analysis of the disc energetics.

연구 동기 및 목표

• 낮은 빛의 강도를 가진 원반에서 강력한 제트가 관측되지만 그 운동 에너지가 설명되지 않는 '에너지 문제'를 해결하기 위해.
• 특히 점성 난류에 의한 엔트로피 생성과 같은 열역학적 효과가 자기장에 의해 구동되는 제트에 질량 적재 효율에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 이전의 자기 유사 MHD 모델을 확장하여 전체 에너지 방정식과 열역학 물리학을 포함하기 위해.
• 원반 가열 조건이 빠른 및 느린 자기장 회전자를 모두 가능하게 하는지, 그리고 이로 인해 제트의 콘두르성과 점 渐진 속도에 어떤 영향을 미치는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 점성 난류에 의한 열생성과 스트림라인을 따라 발생하는 엔트로피 생성을 고려한 전체 방정식 조합을 해결하기 위해 자기 유사 MHD 모델을 사용한다.
• 원반은 낙하율, 각속도, 자기장의 반경 의존성을 가진 기하학적으로 얇거나 약간 두꺼운 구조로 모델링된다.
• 점성 난류에 의한 열생성은 전단 응력 텐서와 각속도의 반경 기울기를 사용하여 계산되며, 열생성률은 η_v |r∇Ω|² 로 표현된다.
• 모델은 점성 난류 열의 일부분 (1−f) 이 원반 표면으로 이송되어 복사되며, 나머지는 순환되거나 제트를 구동하는 데 사용된다고 가정한다.
• 효과적 온도와 광학적 표면 높이를 YSO의 경우 로사엘란 투과도와 AGN/microquasar의 경우 토머슨 투과도를 사용하여 계산하며, 밀도 및 투과도 프로파일로부터 광학적 깊이 τ 를 추정한다.
• 해결책은 자기력 토크와 점성 토크의 비율 Λ 를 기준으로 분류되며, 비소산성 (Λ ≫ 1) 과 소산성 (Λ ≈ 1) MAES로 나뉜다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 점성 난류에 의한 엔트로피 생성을 포함함으로써 자기장이 있는 낙하원반의 제트 질량 적재 효율은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 원반 내 열역학적 효과가 빠른 및 느린 자기장 회전자의 형성 가능성을 높이는가? 이 행동은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ3 에너지 예산에 열역학 에너지를 정확히 포함할 경우, 제트 분출 효율(ξ)의 최대 도달 가능한 수준은 얼마인가?
• RQ4 점성 난류 열과 옴스 열 간의 비율은 원반의 광학적 깊이와 열역학적 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 어떤 조건에서 심한 가열에도 불구하고 원반이 광학 두꺼운 상태를 유지할 수 있으며, 이는 얇은 원반 근사의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 점성 난류 열을 포함함으로써 제트 질량 적재 효율(ξ)은 표준 모델에서의 약 ~0.01 에서 코로나가 가열된 원반에서는 최대 약 ~0.5 로 증가하여 분출 능력이 극적으로 향상됨을 보여준다.
• 고효율의 제트 분출은 열역학적 효과가 포함된 경우에만 가능하며, 이는 고효율 제트 발사에 열역학 물리학이 필수적임을 시사한다.
• 자기력 토크와 점성 토크의 균형에 따라 빠른 및 느린 자기장 회전자가 모두 발생하며, 후자는 최종 제트 속도를 결정한다.
• 청년 별(YSO)의 경우, 광학적 표면 비율 ε_phot ≈ 0.07(1−f)^{1/9} α_v^{-1/9} (Ṁ_a / 10^{-7} M_⊙/yr)^{2/9} (M_*/M_⊙)^{-1/3} 이며, α_v ~ 10^{-2} 일 때 원반이 광학 두꺼운 상태를 유지함을 확인한다.
• AGN 및 마이크로쿼사의 경우, ε_phot ≈ 0.6(1−f)^{1/10} α_v^{-1/10} (Ṁ_a / M_⊙/yr)^{1/5} (M_*/M_⊙)^{-3/10} (r/3r_g)^{1/20} 이며, 일반적인 AGN 파rameter에서 τ ~ 2.4×10^8 / (α_v^{4/5}(1−f)^{1/5}(1+Λ)) 로 추정된다.
• 고토크(Λ ≥ ε^{-1}) 영역에서도 옴스 열은 점성 열과 유사한 크기일 수 있으며, 이는 원반의 두께 비율 ε = 0.1 을 보수적으로 사용하여 광학 두께를 확보하기에 타당하다.