[논문 리뷰] Three-fluid plasmas in star formation I. Magneto-hydrodynamic equations

C. Pinto, Daniele Galli외 1명|ArXiv.org|2008. 04. 17.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 56인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 이온, 전자/-dust 입자, 중성입자로 구성된 삼성분 플라즈마에 대한 일반적인 자기유체역학(MHD) 방정식을 유도하며, 전하를 띤 입자 간의 충돌과 전자 지배가 아닌 전하 운반체를 고려한다. 이는 구름 붕괴 중에 이온-중성 충돌로 인해 오함의 저항성이 크게 증가하고, 먼지 입자가 음전하를 지닌 경우 홀 저항성이 이전 추정치를 초과할 수 있음을 보여주며, 약하게 이on화된 제트에서 애비폴라 확산이 천체역학적 시간스케일에서 발생하여 정적인 모델에 도전한다.

ABSTRACT

Interstellar magnetic fields influence all stages of the process of star formation, from the collapse of molecular cloud cores to the formation of protostellar jets. This requires us to have a full understanding of the physical properties of magnetized plasmas of different degrees of ionization for a wide range of densities and temperatures. We derive general equations governing the magneto-hydrodynamic evolution of a three-fluid medium of arbitrary ionization, also including the possibility of charged dust grains as the main charge carriers. In a companion paper (Pinto & Galli 2007), we complement this analysis computing accurate expressions of the collisional coupling coefficients. Over spatial and temporal scales larger than the so-called large-scale plasma limit and the collision-dominated plasma limit, and for non-relativistic fluid speeds, we obtain an advection-diffusion for the magnetic field. We derive the general expressions for the resistivities, the diffusion time scales and the heating rates in a three-fluid medium and we use them to estimate the evolution of the magnetic field in molecular clouds and protostellar jets. Collisions between charged particles significantly increase the value of the Ohmic resistivity during the process of cloud collapse, affecting in particular the decoupling of matter and magnetic field and enhancing the rate of energy dissipation. The Hall resistivity can take larger values than previously found when the negative charge is mostly carried by dust grains. In weakly-or mildy-ionized protostellar jets, ambipolar diffusion is found to occur on a time scale comparable to the dynamical time scale, limiting the validity of steady-state and nondissipative models to study the jet's structure.

연구 동기 및 목표

• 이온화도와 입자 질량의 변화에 관계없이 유효한, 은하 형성에서 부분적으로 이on화된 플라즈마에 대한 엄밀하고 일반적인 MHD 방정식의 수식화를 개발하는 것.
• 표준 MHD 근사에서 전하를 띤 입자 간의 충돌을 간과하고 전자가 주요 음전하 운반체로 간주하는 데서 비롯하는 한계를 해결하는 것.
• 특히 먼지 입자가 전하 운반을 지배하는 조건에서 분자구름 핵과 원형은하 제트 내 자기장 진화를 모델링하기 위한 자기 일관된 프레임워크를 제공하는 것.
• 은하 형성에 핵심적인 낮은 이온화 환경에서 저항성, 확산 시간스케일, 에너지 소산의 정확한 모델링을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 축대칭 시스템에서 자기율의 이동-확산 방정식을 유도하며, 저항성, 홀 효과, 애비폴라 확산 항을 포함한다.
• 임의의 이온화도와 입자 질량을 가진 삼성분 체계에서 저항성 계수(오옴, 홀, 애비폴라 확산)의 일반적 표현을 수립한다.
• 전하를 띤 종류와 중성입자 간의 충돌 결합 계수를 사용하여 동역학적 전달율과 저항성을 계산하며, 탄성 및 비탄성 충돌을 모두 고려한다.
• 해석적 모델을 사용하여 유도된 방정식을 적용해 분자구름 핵과 원형은하 제트에서 자기장 진화 시간스케일과 가열률을 추정한다.
• 대규모 플라즈마 근사와 충돌 지배 플라즈마 근사의 타당성을 비판적으로 평가하며, Biermann 및 비자성 항의 역할을 논의한다.
• 결과를 다성분 접근법과 비교하여, 표준 다성분 방법론이 전하를 띤 입자 간의 충돌을 자발적으로 포함하지 못해 저항성 및 전도도 추정에 오류를 일으킴을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부분적으로 이on화된 플라즈마에서 전자가 아니라 먼지 입자가 음전하를 지닌다면, 저항성 계수(오옴, 홀, 애비폴라 확산)는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 어떻게 이온-중성 충돌이 분자구름 핵의 붕괴 기간 동안 자기장 진화에 영향을 미치는가?
• RQ3 원형은하 제트에서 자기장 확산 시간스케일은 천체역학적 시간스케일과 어떻게 비교되며, 이는 정적 모델에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 은하 형성에서 흔한 낮은 이온화 환경에서 표준 MHD 근사가 어느 정도 붕괴되는가?
• RQ5 유도된 저항성 표현은 다성분 접근법과 어떻게 비교되며, 다성분 방법론이 부족한 영역은 어디인가?

주요 결과

• 구름 붕괴 기간 동안 이온-중성 충돌이 증가함에 따라 오함 저항성이 크게 증가하여 자기장 확산과 에너지 소산이 강화된다.
• 먼지 입자가 음전하를 지닌 경우, 특히 저밀도·저온의 구름 핵에서 홀 저항성이 이전 추정치보다 크게 증가할 수 있다.
• 약하게 또는 약간 이on화된 원형은하 제트에서 애비폴라 확산 시간스케일은 천체역학적 시간스케일과 유사하여 정적 및 비소산 모델의 타당성을 떨어뜨린다.
• 표준 다성분 방법론은 전하를 띤 입자 간의 충돌을 자발적으로 포함하지 못해 저항성 및 전도도 추정에 오류를 초래한다.
• 먼지 입자 수 밀도가 높은 분자구름 핵에서는 자유 전자 밀도가 0으로 감소하며, 먼지 입자가 모든 음전하를 지닌다. 이는 플라즈마 운반 특성을 근본적으로 변화시킨다.
• 유도된 저항성 표현은 복사력에 의해 구동되는 바람과 낮은 이온화 플라즈마 내 충격파 등 다양한 천체물리 환경에 적용 가능하다.