[論文レビュー] An Accretion-Ejection Instability in magnetized disks

M. Tagger, R. Pellat|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 1999

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 43

ひとこと要約

本稿は、磁化された降着円盤における新しい磁流力学的（MHD）不安定性を提案する。この不安定性は、磁気的応力がらせん状の密度波を駆動し、その波がコリレーション付近のロスビー渦と結合することで不安定化する。この結果、波は効率的にアルフレッド波を円盤のコロナへ放出し、ジェットの駆動に寄与する。主な結果は、円盤から取り出された角運動量が、径方向拡산ではなく、外向きに伝播するアルフレッド波へとチャネル化されることであり、降着とジェット噴出の統一的メカニズムを提供する。

ABSTRACT

We present an instability occurring in the inner part of disks threaded by a moderately strong vertical (poloidal) magnetic field. Its mechanism is such that a spiral density wave in the disk, driven by magnetic stresses (rather than self-gravity as in galactic spirals), becomes unstable by exchanging angular momentum with a Rossby vortex it generates at its corotation radius. This angular momentum can then ``leak'' as Alfven waves emitted toward the corona of the disk thus providing, as an element of the accretion process, an energetic source for a wind or a jet. As galactic spirals, this instability forms low azimuthal wavenumber, standing spiral patterns which might provide an explanation for low-frequency QPOs in low-mass X-ray binaries.

研究の動機と目的

• 降着円盤モデルにおける径方向の角運動量輸送と、ジェット駆動に必要な効率的な角運動量抽出の間の長年の不整合を解消すること。
• 磁化ディスク内で角運動量が径方向に輸送されるのではなく、コロナへ向かってアルフレッド波として放出されるメカニズムを特定すること。
• 磁気的応力によって駆動されるらせん状密度波が、コリレーションにおけるロスビー渦と結合することで不安定化し、コロナへのエネルギーおよび運動量の効率的転送が可能になることを示すこと。
• 定常的ならせんパターンを介して低質量X線連星における低周波数準周期的揺動（QPO）の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 微分回転する、垂直に磁場が貫通する磁化ディスクを、正確な円柱座標系でモデル化する。
• 自己重力や圧力力ではなく、磁気的応力によって駆動されるらせん状密度波の線形安定性を分析する。
• 波がディスク内の渦度勾配によって生成されるロスビー渦と結合するコリレーション共鳴の物理的性質を組み込む。
• 摂動の径方向および垂直構造に注目し、WKB近似を用いて摂動の分散関係を導出する。
• 摂動のねじれ成分（R）と圧縮成分（D）の結合を導出し、Rがアルフレッド波の放射を駆動することを示す。
• コロナ（ρ∞ → 0）における漸近的解析を用いて、アルフレッド波放射による波の減衰率を推定し、虚数周波数が負（増幅率）であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直に貫通する磁場を持つディスク内での磁気的応力が、コリレーション付近のロスビー渦と結合するらせん状密度波を駆動できるか？
• RQ2 磁化ディスクにおけるらせん波とロスビー渦の結合は、自己重力支配または圧力支配のディスクとどのように異なるか？
• RQ3 円盤から取り出された角運動量が、径方向拡散の代わりにどの程度アルフレッド波へとチャネル化できるか？
• RQ4 コロナがアルフレッド波放射を通じてエネルギーを吸収する役割を果たす場合、その影響が波の増幅率にどのように現れるか？
• RQ5 この不安定性メカニズムは、低質量X線連星における低周波数準周期的揺動（QPO）を説明できるか？

主な発見

• 不安定性は、磁気的らせん波とコリレーション付近のロスビー渦との結合によって生じ、コロナへのアルフレッド波の効率的放射を引き起こす。
• アルフレッド波放射による波の減衰率は、コロナ密度の平方根に比例し、磁気的ブレーキング機構を示している。
• 波のねじれ成分（R）が渦と結合する際に減衰が最大となり、これはコリレーションにおける渦度勾配に起因する特異性による。
• 不安定性の増幅率は、m（方位モード数）およびディスクの高さ径比 h/r に関して代数的に小さいが、依然として顕著な増幅を可能にする。
• 分散関係において周波数の虚数部が負であることが示され、不安定性およびコロナへのエネルギー損失（アルフレッド波放射）が確認された。
• 本モデルは、角運動量が径方向に輸送されず、代わりにアルフレッド波によって外部へ運ばれるというジェット形成の物理的メカニズムを提供し、降着-ジェットモデルにおける主要な不整合を解消する。