[논문 리뷰] The Effects of Large-Scale Magnetic Fields on Disk Formation and Evolution

Arieh Königl, Raquel Salmeron|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 12.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 20인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 별형성 원반 내 대규모 순서 정렬된 자기장이 자기 브레이킹과 관성력에 의해 유도되는 바람을 통해 수직 방향 각운동량 이송을 어떻게 유도하는지 조사한다. 이는 MRI에 의해 유도되는 반경 방향 이송과의 대안을 제공한다. 연구는 이러한 자기장이 원반 난류를 억제하고 원반 구조를 변화시키며, 행성 형성에 영향을 미치는 방식(이동과 먼지 역학의 변화를 포함)을 보여준다.

ABSTRACT

This is a draft chapter for a book, entitled Physical Processes in Circumstellar Disks around Young Stars, which is scheduled for publication by the University of Chicago Press as one of its Theoretical Astrophysics Series volumes. Sect. 1 presents the motivation for considering the effects of a large-scale, ordered magnetic field on the formation and evolution of protostellar disks. Sect. 2 outlines the physical principles that underlie the magnetohydrodynamics of disks that are threaded by such a field. Sect. 3 discusses the formation and early evolution of disks that result from the collapse of a rotating molecular cloud core that is coupled to the insterstellar magnetic field. Sect. 4 reviews the observational evidence for the disk--wind connection and describes the structure of magnetically accelerated disk outflows, focusing on centrifugally driven winds; it then goes on to discuss the equilibrium and stability properties of weakly ionized protostellar accretion disks in which the transport of angular momentum is dominated by a wind of this type. Sect. 5 considers the coupling between the central protostar and the surrounding disk through the protostellar magnetic field, covering, in turn, the phenomenology, basic concepts, and results of numerical simulations. The chapter is summarized in Sect. 6, which also contains a discussion of future research directions.

연구 동기 및 목표

• 대규모 순서 정렬된 자기장이 별형성 원반에서 수직 방향 각운동량 이송을 가능하게 하는 역할을 탐구하고, 기존의 MRI에 의한 반경 방향 이송과 대비한다.
• 자기 브레이킹과 관성력에 의해 유도되는 바람이 원반 구조와 순환 유동-적축 흐름의 결합에 미치는 영향을 평가한다.
• 자기장이 자기장이 있는 원반에서 먼지 역학, 입자 분포 및 소행성 형성에 어떻게 영향을 미치는지 조사한다.
• 대규모 자기장이 자기 공명을 통해 유도되는 힘으로 인해 유형 I 행성 이동이 억제되거나 역전될 수 있는지 평가한다.
• 수직 방향과 반경 방향 각운동량 이송 중 어느 것이 자기장이 있는 원반에서 지배적인지를 결정하는 조건을 규명한다.

제안 방법

• 이deal MHD를 사용하여 자기장이 있는 원반의 힘 평형을 모델링하며, 루멘츠 힘 $\vec{F} = \vec{J} \times \vec{B}/c$ 와 자기 압력/탄성 항목을 포함한다.
• 원반을 관통하는 균형 자기장선의 보존을 적용하여, 경계에서 수정되지 않는 한 열린 자기장선이 유지됨을 보장한다.
• 수직 방향 각운동량 이송을 위해 토파이onal 알프레드 파동 분석을 수행하며, 각운동량이 자기장선을 따라 주변 매질로 떠남을 설명한다.
• 관성력에 의해 유도되는 바람(CDW)을 수직 방향 각운동량 이송의 메커니즘으로 모델링하며, 원반 표면에서 자기력에 의해 유도된다.
• 가스-먼지 결합, 반경 및 수직 이동, 그리고 올림 이후 재진입을 고려하여 MHD 모델에 먼지 역학을 통합한다.
• 린드블라드 공명과 유사한 자기 공명을 평가하며, 자장의 각도 성분 프로파일 $B_\phi^2 \propto r^{-1} \text{ to } r^{-2}$ 를 사용하여 저질량 행성에 대한 전역 토크를 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 순서 정렬된 자기장은 MRI에 의해 유도되는 반경 방향 이송과 비교해 별형성 원반의 주요 각운동량 이송 방식을 어떻게 변화시키는가?
• RQ2 자기 브레이킹이 자기장이 있는 원반에서 반경 방향 점성 이송보다 지배적인 조건은 무엇인가?
• RQ3 대규모 자기장이 원반 바람에서 먼지 입자 분포, 반경 이동 및 열처리에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 경사 및 각도 자기장에 의해 유도되는 자기 공명은 유형 I 행성 이동을 억제하거나 역전시킬 수 있는가?
• RQ5 대규모 자기장의 존재가 밀도 척도 높이 및 표면 밀도 프로파일을 포함한 원반 구조에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 대규모 순서 정렬된 자기장은 자기 브레이킹과 관성력에 의해 유도되는 바람을 통해 수직 방향 각운동량 이송을 가능하게 하며, MRI에 의한 반경 방향 이송과의 타당한 대안을 제공한다.
• 자기 브레이킹은 원반 내부의 각운동량을 효율적으로 제거하며, 토크가 원반 표면층에 작용하고 토파이onal 알프레드 파동을 통해 주변 매질로 동력 전달이 이루어진다.
• 관성력에 의해 유도되는 바람은 자기장이 강하고 질서 정렬되어 있는 영역에서 특히 각운동량을 제거할 수 있으며, 이는 강화된 적축 흐름과 연관된 강화된 순환 유동-적축 흐름 결합을 초래한다.
• 자기장은 원반을 수직으로 압축하여 자기장에 의한 압축 효과로 인해 밀도 척도 높이를 감소시키며, 이는 기체 및 먼지 역학에 영향을 준다.
• 중간 크기의 먼지 입자는 바람에 의해 들어올라가 외부로 이동한 후 더 큰 반경에서 재진입할 수 있으며, 이는 태양계 초기 원반에서 관측된 결정성 입자들의 외부 이동 가능성을 시사한다.
• 특히 $B_\phi^2 \propto r^{-1} \text{ to } r^{-2}$ 의 각도 자기장에 의해 유도되는 자기 공명은 전역 토크를 생성할 수 있으며, 이는 유형 I 행성 이동을 억제하거나 역전시킬 수 있다.