[논문 리뷰] Nonradial and nonpolytropic astrophysical outflows IV. Magnetic or thermal collimation of winds into jets?

C. Sauty, K. Tsinganos외 1명|arXiv (Cornell University)|1999. 06. 07.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 극지축 대칭 MHD 모델을 제시하여, 뜨거운, 자기장에 의한 충격을 받는 유출 기체가 제트로 수렴될 때 자기압력과 열압력 중 어느 것이 지배적인지를 분석한다. 유출 기체가 축 방향으로 과압력이면서 자기압력의 압축 효과가 미약할 경우에만 실린더형 제트 프로파일이 나타나며, 평형 상태는 원심력이나 기계적 압력에 대비하여 자기압력 또는 열압력이 균형을 이룹니다. 최적의 제트 반지름과 최종 속도는 자기압력과 열압력이 외부 봉쇄에 비슷한 기여를 할 때 발생합니다.

ABSTRACT

An axisymmetric MHD model is examined analytically to illustrate some key aspects of the physics of hot and magnetized outflows which originate in the near environment of a central gravitating body. By analyzing the asymptotical behaviour of the outflows it is found that they attain a variety of shapes such as conical, paraboloidal or cylindrical. However, non cylindrical asymptotics can be achieved only when the magnetic pinching is negligible and the outflow is overpressured on its symmetry axis. In cylindrical jet-type asymptotics, the outflowing plasma reaches an equilibrium wherein it is confined by magnetic forces or gas pressure gradients, while it is supported by centrifugal forces or gas pressure gradients. In which of the two regimes (with thermal or magnetic confinement) a jet can be found depends on the efficiency of the central magnetic rotator. The radius and terminal speed of the jet are analytically given in terms of the variation across the poloidal streamlines of the total energy. Large radius of the jet and efficient acceleration are best obtained when the external confinement is provided with comparable contributions by magnetic pinching and thermal pressure. In most cases, collimated streamlines undergo oscillations with various wavelengths, as also found by other analytical models. Scenarios for the evolution of outflows into winds and jets in the different confinement regimes are shortly outlined.

연구 동기 및 목표

• 비원형, 비다이아트로픽 천체 유출 기체가 수렴된 제트로 변형되는 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 유출 기체를 실린더형 제트로 봉쇄하고 형상화하는 데 있어 자기력과 열압력 기울기 중 어느 것이 주요 기여를 하는지를 규명하기 위해.
• 자기유체역학(MHD) 유출 기체에서 점 渐진적 제트 유형 솔루션(원뿔형, 포물형, 실린더형)이 달성될 수 있는 조건을 검토하기 위해.
• 중앙 자기장 로터가 유출 기체의 봉쇄 영역(자기적 vs. 열적)을 결정하는 데 미치는 역할을 평가하기 위해.
• 스트림라인을 따라 에너지 분포를 기반으로 제트 반지름과 최종 속도에 대한 해석적 표현을 유도하기 위해.

제안 방법

• 중심의 중력장에 가까운 곳에서 뜨거운 자기장에 의한 유출 기체의 역학을 기술하기 위해 축대칭 MHD 모델을 사용한다.
• 유선의 점 渐진적 행동을 분석하여 그 형태를 원뿔형, 포물형, 실린더형으로 분류한다.
• 큰 거리에서의 근사에서 운동 방정식을 풀며, 자기압력, 기체압력, 원심력 간의 力 平 衡을 중점으로 한다.
• 유선을 따라 흐름의 반경 및 경사 방향 변화를 기술하기 위해 질량 단위 에너지를 핵심 변수로 사용한다.
• 자기장선의 탄성력과 플라즈마 압력 기울기를 고려하여 봉쇄 메커니즘을 결정한다.
• 이deal MHD 가정 하에, 제트의 원거리 영역에서의 평형 조건에 중점을 두고 해를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비원형, 비다이아트로픽 유출 기체가 실린더형 제트 유형의 점 渐진적 프로파일을 갖는 조건은 무엇인가?
• RQ2 유출 기체를 안정된 제트로 수렴시키는 데 있어, 자기압력의 압축 효과인지 열압력 기울기인지 어느 힘이 지배적인가?
• RQ3 중앙 자기장 로터의 효율성이 자기적 봉쇄 영역과 열적 봉쇄 영역 간의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 점 渐진적 영역에서 수렴된 제트의 최종 반지름과 최종 속도는 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ5 다수의 해석적 모델에서 유선 형태의 진동 현상이 나타나는 이유는 무엇이며, 이는 기본적인 힘의 균형과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 실린더형 제트 유형의 점 渐진적 행동는 자기압력의 압축 효과가 무시 가능할 때, 그리고 축 방향으로 과압력이 있을 경우에만 달성된다.
• 실린더형 제트에서는 자기압력 또는 열압력 기울기와 원심력 또는 기체압력 간의 균형이 유지된다.
• 제트 반지름과 최종 속도는 경사 방향 유선을 따라 총 에너지의 변화에 따라 해석적으로 표현된다.
• 자기압력의 압축 효과와 열압력이 외부 봉쇄에 비슷한 기여를 할 때, 큰 반지름과 효율적인 가속이 이루어지는 최적의 제트 수렴이 발생한다.
• 비실린더형 점 渐진적 형태(원뿔형, 포물형)는 더 흔하며, 더 강한 자기압력의 압축 효과 또는 약한 과압력과 관련이 있다.
• 유선 형태의 진동 행동은 이 모델의 일반적인 특성으로, 다른 해석적 MHD 제트 모델의 결과와 일치한다.