[論文レビュー] A Hydrodynamical Mechanism for Generating Astrophysical Jets

X. Hernández, Pablo L. Rendón+2 more|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|Mar 1, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、磁場を必要としない完全に流体力学的なメカニズムを提案し、表面密度プロファイルが Σ(R)∝R⁻¹/² より急になることで、降着円盤内でのケプラーモードから径方向落下への遷移が引き起こされ、物質が中心天体に向けて収束することを示している。摂動的流体力学的解析を通じて、このプロセスが自然に良好にコラムネートされた極軸ジェットを生成することを示しており、従来の磁場を含むジェット生成理論に対する磁場を不要とする代替理論を提供する。

ABSTRACT

Whenever in a classical accretion disk the thin disk approximation fails interior to a certain radius, a transition from Keplerian to radial infalling trajectories should occur. We show that this transition is actually expected to occur interior to a certain critical radius, provided surface density profiles are steeper than $Σ(R) \propto R^{-1/2}$, and further, that it probably corresponds to the observationally inferred phenomena of thick hot walls internally limiting the extent of many stellar accretion disks. Infalling trajectories will lead to the convergent focusing and concentration of matter towards the very central regions, most of which will simply be swallowed by the central object. We show through a perturbative hydrodynamical analysis, that this will naturally develop a well collimated pair of polar jets. A first analytic treatment of the problem described is given, proving the feasibility of purely hydrodynamical mechanisms of astrophysical jet generation. The purely hydrodynamic jet generation mechanism explored here complements existing ideas focusing on the role of magnetic fields, which probably account for the large-scale collimation and stability of jets.

研究の動機と目的

• 降着円盤内での完全に流体力学的なプロセスが、磁場を必要とせずに天体物理学的ジェットを生成できるかどうかを調査すること。
• 薄い円盤近似が崩壊する物理的条件を特定し、それによって径方向落下軌道が生じることを明らかにすること。
• 中心天体に向かう収束的径方向流れが自然にコラムネートされた極軸ジェットを生成することを解析的に示すこと。
• 既存の磁気流体力学的モデルを補完する一次近似の解析的取り扱いを提供すること。
• このメカニズムが、恒星系、銀河系、および銀河間スケールの観測ジェットの一般的な特徴をどの程度説明できるかを示すこと。

提案手法

• 降着円盤内での準円形ケプラーフローから径方向落下への遷移をモデル化するため、摂動的流体力学的解析を用いる。
• ナビエ＝ストークス方程式および連続の方程式に次元なしスケーリングを適用し、主要な項を分離するために ε、β、β′ のパラメータを導入する。
• 変数分離法と漸近的解析を用いて、径方向速度、方位角速度、密度の偏微分方程式を解く。
• 解がベッセル関数に類似した関数および不完全ガンマ関数によって調制された振動的で有界な関数として得られ、中立的安定性を示している。
• 次元なし形式と物理的制約に整合させるために、スケーリング定数（Cr、Cθ、Cc）を O(1) の値に固定する。
• 実部が速度および密度プロファイルにおける物理的に意味のある有界な振動に対応することを示すことで、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄い円盤近似が崩壊し、降着円盤内でケプラーモードから径方向落下へ遷移する条件は何か？
• RQ2 完全に流体力学的なメカニズムが、磁場を用いずに良好にコラムネートされた極軸ジェットを生成できるか？
• RQ3 表面密度プロファイルが Σ(R)∝R⁻¹/² より急である場合、径方向落下およびジェット生成の発生にどのような影響を与えるか？
• RQ4 小さな径方向摂動に対して、得られるジェット構造の安定性はいかほどか？
• RQ5 この流体力学的メカニズムが、さまざまな天体物理学的スケールにおける観測ジェット特徴をどの程度説明できるか？

主な発見

• ケプラーモードから径方向落下への遷移は、表面密度プロファイルが Σ(R)∝R⁻¹/² より急である場合に発生し、その結果、薄い円盤近似が崩壊する臨界半径が形成される。
• 径方向落下軌道は物質を中心天体に向けて収束させ、高密度のホッパーを形成し、自然に極軸噴流へと物質を集中させる。
• 摂動的解析により得られた径方向および方位角速度、密度の解は、有界で振動的であり、ジェット構造の安定性（中立的安定性）を示している。
• 速度および密度の次元なし解は、不完全ガンマ関数を含む振動関数によって調制されており、一貫性があり持続的なジェット様構造の存在を確認している。
• このモデルは、ジェット生成メカニズムが磁場に依存しないことを予測しており、磁場はコラムネートや放射において二次的役割を果たす可能性がある。
• 解析的枠組みは、HH天体からAGNに至るスケールの観測ジェット特徴と整合しており、ジェット生成の普遍的な流体力学的起源を示唆している。