[논문 리뷰] On the transition to self-gravity in low mass AGN and YSO accretion discs

J.-M. Huré|arXiv (Cornell University)|2000. 05. 05.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 3인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 저질량 AGN 및 YSO의 원형진동판에 대해 난류 점성(두 가지 α-제안서 방식을 포함), 자기중력, 대류 전달, 난류 압력을 자가일관적으로 포함하는 2차원 수직 구조 모델을 개발한다. 연구 결과, 자기중력으로의 전이가 난류 에너지 부여 프로파일에 매우 민감하게 의존하는 것으로 나타났다: 局부 α-제안서는 특이적이고 빠르게 붕괴되는 전이를 유도하는 반면, αP-형식은 더 부드럽고 낮은 온도, 더 희박한 전이를 만들어내며, 이는 자기중력이 외부 원형진동판 영역에서 진동판의 구조와 낙착 동역학을 크게 변화시킨다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The equations governing the vertical structure of a stationary keplerian accretion disc are presented. The model is based on the alpha-viscosity, includes self-gravity, convective transport and turbulent pressure. A few properties of the model are discussed for circumstellar and AGN discs. We show the strong sensitivity of the disc structure to the viscous energy deposition towards the vertical axis, specially when entering inside the self-gravitating part of the disc. The local version of the alpha-prescription leads to a "singular" behavior which is also predicted by the vertically averaged model. With respect, a much softer transition is observed with the "alpha-P" formalism. Turbulent pressure is important only for alpha > 0.1. It lowers vertical density gradients, significantly thickens the disc, tends to wash out density inversions and pushes the self-gravitating region to slightly larger radii. Curves localizing the inner edge of the self-gravitating disc as functions of the viscosity parameter and accretion rate are given. The lower alpha, the closer to the center the self-gravitating regime, and the sensitivity to the accretion rate is generally weak, except for alpha < 0.1. This study suggests that models aiming to describe T-Tauri discs beyond about a few to a few tens astronomical units from the central protostar using the alpha-theory should consider vertical self-gravity. The Primitive Solar Nebula was probably a bit (if not strongly) self-gravitating at the actual orbit of giant planets. Alpha-discs hosted by active galaxies are self-gravitating beyond about a thousand Schwarzchild radii. The inferred surface density remains too high to lower the accretion time scale. More efficient mechanisms driving accretion are required.

연구 동기 및 목표

• 저질량 AGN 및 YSO의 정적인, 케플러 운동을 하는 낙착진동판의 수직 구조를 자기중력, 난류 압력, 대류를 포함하여 모델링하는 것.
• 전통적 진동판 영역에서 자기중력 영역으로의 전이를 연구하며, 특히 점성과 낙착률에 따라 어떻게 달라지는지 분석하는 것.
• 다양한 α-제안서 방식(국부적 vs. αP-형식)이 진동판의 구조와 안정성에 미치는 타당성과 영향을 평가하는 것.
• 자기중력이 T-태기성 항 星 및 AGN에서 관측된 진동판 치수와 낙착 timescale을 설명할 수 있는지 판단하는 것.
• 난류 압력과 수직 에너지 부여가 진동판 두께와 표면 밀도 프로파일을 어떻게 결정짓는지 평가하는 것.

제안 방법

• 정적인 케플러 운동 진동판 기반의 2차원 수직 구조 모델을 사용하며, 수직 평형, 에너지 균형, 각운동량 보존 원리를 적용한다.
• 난류 점성에 대해 두 가지 형태의 α-제안서를 적용: 국부적 α-제안서와 수직 에너지 부여를 고려한 αP-형식.
• 강한 초기값 문제를 해결하기 위한 전용 알고리즘을 사용한 단일 측면 사 Shoot 방법을 사용하여 시스템을 해석한다.
• 정확한 상태 방정식과 로사엘란드 및 플랑크 평균 흡수를 조합한 깊이에 따라 변화하는 투과도 격자를 사용한다.
• 혼합길이 이론을 통해 대류 전달을 포함하고, 무한판 근사법을 사용해 자기중력을 포함한다.
• YSO(태양질량 중심 천체) 및 AGN(10⁸ M⊙ 중심 블랙홀) 시나리오에 대해 낙착률과 α-값의 범위를 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류 에너지 부여 방식(국부적 α 대비 αP-형식)의 선택이 낙착진동판에서 자기중력으로의 전이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 저질량 AGN 및 YSO 진동판에서 자기중력 영역의 반경 범위와 구조적 진화는 어떻게 되는가?
• RQ3 자기중력 영역에서 난류 압력이 진동판 두께, 휘어짐, 밀도 기울기 등에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ4 자기중력만으로 T-태기성 진동판 및 AGN에서 관측된 진동판 치수와 낙착 timescale을 설명할 수 있는가?
• RQ5 α-파라미터와 낙착률의 변화에 따라 자기중력의 발생이 얼마나 민감하게 반응하는가?

주요 결과

• 국부적 α-제안서는 자기중력 영역에서 특이적이고 빠르게 붕괴되는 행동을 유도한다: 극도로 높아진 밀도와 표면 밀도, 급속한 붕괴, 온도 평탄한 플랫폼.
• 반면, αP-형식은 훨씬 더 부드러운 전이를 만들어낸다: 진동판은 낮은 온도와 희박한 상태를 유지하며 치명적인 붕괴를 피한다.
• 난류 압력은 α ≥ 0.1일 때에만 의미 있게 증가하며, 진동판의 휘어짐을 증가시키고 두껍게 만들며, 상부 층의 밀도 역전 현상을 억제한다.
• 자기중력 영역의 내부 가장자리는 α가 감소함에 따라 내측으로 이동하며, 전이 반경은 α ≥ 0.1일 경우를 제외하고는 낙착률에 대해 약한 민감도를 보인다.
• T-태기성 진동판의 경우, α에 따라 3–30 AU를 초과하는 영역에서 자기중력이 지배적이며, 이는 거성 행성이 자기중력 작용을 통한 태양계 원반에서 형성되었을 가능성을 시사한다.
• AGN 진동판은 약 ~1000 Schwarzschild 반경을 초과해 자기중력 영역이 되지만, 표면 밀도가 너무 높아 장기적인 핵 연료 공급에 적합한 낙착 timescale을 유지할 수 없으며, 이는 더 효율적인 낙착 메커니즘이 필요함을 시사한다.