[논문 리뷰] 3-D numerical simulations of rotating jets: The case of the DG Tau microjet

A. H. Cerqueira, E. M. de Gouveia Dal Pino|ArXiv.org|2004. 09. 13.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 14인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 자전, 진동, 파ulsation, 복사 냉각, 자장을 포함한 DG TAU 마이크로제트의 3D SPH 및 SPMHD 시뮬레이션을 제시한다. 자전 속도가 표면에서 약 8 km s⁻¹이고 약 0.5 mG의 자장에 의해 콘두르되는 제트가 관측된 다핵 구조와 축방향 속도 프로파일을 재현함으로써, 이 제트에서 자전은 핵심적 특성임을 확인하고, 자장-원심력 방출 모델과 일치함을 보여준다.

ABSTRACT

We here present results of three-dimensional Smoothed Particle hydro and magnetohydrodynamics simulations of rotating jets, also including the effects of radiative cooling, precession and velocity variability. Using initial conditions and parameters which are particularly suitable for the DG Tau microjet, we have been able to approximately reproduce its complex knotty morphology and kinematics. We have also obtained radial velocity maps which are in good agreement with the data obtained by Bacciotti et al., thus indicating that their interpretation that the DG Tau microjet is rotating is correct. Finally, we have found that a magnetic field of the order of ~ 0.5 mG is sufficient to collimate the jet against the lateral expansion that is caused by the centrifugal forces.

연구 동기 및 목표

• DG TAU에서 관측된 제트의 자전이 진동, 진동 등 다른 효과들 사이에서 고유한 특징인지 여부를 조사하기 위해
• 3D 유체역학 및 자기유체역학 시뮬레이션을 사용하여 DG TAU 마이크로제트의 복잡한 다핵 형태와 축방향 속도 분포를 재현하기 위해
• 이완력에 의해 확산되는 제트를 자장으로 콘두르기 위해 필요한 자장 강도를 결정하기 위해
• Bacciotti 등(2002)의 관측 데이터와 시뮬레이션된 제트 운동학이 일치하는지 테스트하기 위해
• 실제 물리 조건 하에서 자장-원심력 방출 모델이 제트의 관측된 성질을 설명할 수 있는지 평가하기 위해

제안 방법

• 3D 스무딩 파article 유체역학(SPH) 및 스무딩 파article 자기유체역학(SPMHD) 코드를 사용하여 3D 직각좌표상 상자에서 주기적 경계 조건을 갖는 제트 진화를 시뮬레이션하였다.
• 초기 조건은 DG TAU의 관측 파rameter를 반영하도록 설정되었다: 제트 반지름 Rj = 5.6×10¹⁴ cm, 제트 밀도 nj = 2000 cm⁻³, 배경 밀도 na는 η = nj/na = 10이며, 제트 속도 vj ≈ 300 km s⁻¹이다.
• 펄스형 분출은 진폭 A = 0.33, 주기 τpul = 8년인 사인파형 속도 프로파일을 사용하여 모의하였다. 이는 관측된 변동성과 일치한다.
• 진동은 반각 5°, 주기 τprec = 8년으로 설정하여 포함하였으며, 관측과 일치한다.
• 자전은 표면에서 약 8 km s⁻¹의 φ-속도와 축에서 약 55 km s⁻¹의 속도로 도입되었으며, 각운동량 보존 원리를 따르도록 하였다.
• 복사 냉각은 우주에서의 원소 농도를 가진 플라즈마가 10⁶ K에서 9×10³ K로 냉각되는 데 대해 시간에 의존하지 않는 냉각 함수를 사용하여 모의하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자전, 진동, 파ulsation이 포함된 3D 시뮬레이션에서 DG TAU 마이크로제트의 다핵 형태와 축방향 속도 분포를 재현할 수 있는가?
• RQ2 DG TAU에서 관측된 축방향 속도 패턴은 자전하는 제트와 일치하는가, 아니면 진동이나 파ulsation만으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 이완력에 의해 확산되는 자전하는 제트를 콘두르기 위해 필요한 자장 강도는 얼마인가?
• RQ4 시뮬레이션된 제트 운동학은 Bacciotti 등(2002)의 관측 데이터와 일치하는가?
• RQ5 시뮬레이션에 따르면 약 0.5 mG의 자장이 DG TAU 제트에서 이완력에 의해 발생하는 확산을 균형 잡는 데에 충분한가?

주요 결과

• 펄스(8년 주기), 진동(반각 5°, 8년 주기), 자전(vφ ≈ 8 km s⁻¹ 표면에서)을 포함한 모델 C가 DG TAU 마이크로제트의 관측된 다핵 형태와 운동학을 가장 잘 재현한다.
• 시뮬레이션된 축방향 속도 맵은 Bacciotti 등(2002)의 관측 결과와 뛰어난 일치를 보이며, 제트가 자전하고 있다는 해석을 지지한다.
• 표면에서 β ≈ 10에 해당하는 약 0.5 mG의 자장은 이완력에 의해 발생하는 횡방향 확산에 대비해 제트를 콘두르는 데에 충분하다.
• 시뮬레이션된 자기장 힘은 이완력과 균형을 이루며, 단순한 추정치로는 40 AU에서 B ≈ 0.2 mG를 도출할 수 있었고, 이는 시뮬레이션에서 요구된 값과 일치한다.
• 자기장 뿌리 보존 법칙에 따르면, 항성 표면 근처에서 자장 강도는 약 100 G로 추정되며, 이는 항성 형성 단계의 자기장과 자장-원심력 방출 모델에 부합한다.
• 펄스와 진동이 존재하더라도, 시뮬레이션된 운동학에서 자전의 특징은 명확하게 구별되며 고유하게 식별 가능하다.