[論文レビュー] On the transition to self-gravity in low mass AGN and YSO accretion discs

J.-M. Huré|arXiv (Cornell University)|May 5, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 3被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、低質量AGNおよびYSOの降着円盤に対して、乱流粘性（2種類のα規定の形式を含む）、自己重力、対流輸送、乱流圧力を自己無撞着に組み込んだ2次元垂直構造モデルを開発した。その結果、自己重力への遷移は、粘性エネルギーの供給分布に極めて敏感であることが判明した。局所的α規定では特異的かつ急激な収縮が生じるが、αP形式では滑らかで、冷たく、より希薄な遷移が得られ、自己重力が外側円盤領域の円盤構造および降着ダイナミクスを顕著に変化させることを示唆している。

ABSTRACT

The equations governing the vertical structure of a stationary keplerian accretion disc are presented. The model is based on the alpha-viscosity, includes self-gravity, convective transport and turbulent pressure. A few properties of the model are discussed for circumstellar and AGN discs. We show the strong sensitivity of the disc structure to the viscous energy deposition towards the vertical axis, specially when entering inside the self-gravitating part of the disc. The local version of the alpha-prescription leads to a "singular" behavior which is also predicted by the vertically averaged model. With respect, a much softer transition is observed with the "alpha-P" formalism. Turbulent pressure is important only for alpha > 0.1. It lowers vertical density gradients, significantly thickens the disc, tends to wash out density inversions and pushes the self-gravitating region to slightly larger radii. Curves localizing the inner edge of the self-gravitating disc as functions of the viscosity parameter and accretion rate are given. The lower alpha, the closer to the center the self-gravitating regime, and the sensitivity to the accretion rate is generally weak, except for alpha < 0.1. This study suggests that models aiming to describe T-Tauri discs beyond about a few to a few tens astronomical units from the central protostar using the alpha-theory should consider vertical self-gravity. The Primitive Solar Nebula was probably a bit (if not strongly) self-gravitating at the actual orbit of giant planets. Alpha-discs hosted by active galaxies are self-gravitating beyond about a thousand Schwarzchild radii. The inferred surface density remains too high to lower the accretion time scale. More efficient mechanisms driving accretion are required.

研究の動機と目的

• 低質量AGNおよびYSOにおける定常的でケプラー的降着円盤の垂直構造を、自己重力、乱流圧力、対流を含めてモデル化すること。
• 古典的円盤から自己重力円盤への遷移が、粘性および降着率にどのように依存するかを調査すること。
• 異なるα規定形式（局所的vs. αP形式）が円盤構造および安定性に与える妥当性と影響を評価すること。
• 自己重力がTタウリ星およびAGNにおける観測された円盤サイズおよび降着 timescale を説明できるかどうかを特定すること。
• 乱流圧力および垂直方向エネルギー供給が、円盤の厚さおよび表面密度プロファイルに与える役割を評価すること。

提案手法

• 静的ケプラー円盤における静水圧平衡、エネルギー収支、角運動量保存に基づく2次元垂直構造モデルを用いる。
• 乱流粘性のα規定を2通りの形で組み込む：局所的バージョンと、垂直方向エネルギー供給を考慮したαP形式。
• 剛性初期値問題に特化したアルゴリズムを用いて、片側シューティング法により系を解く。
• 高精度な状態方程式と、ローゼランド平均およびプランク平均吸収率を組み合わせた深さ依存の光学定数グリッドを採用する。
• 混合長理論を用いて対流輸送をモデル化し、無限平板近似を用いて自己重力を含む。
• YSO（太陽質量の中心天体）およびAGN（10⁸ M⊙の中心ブラックホール）の両シナリオにおいて、降着率およびα値の範囲にわたってモデルをテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粘性エネルギー供給の選択（局所的α vs. αP形式）が、降着円盤における自己重力への遷移にどのように影響するか？
• RQ2 低質量AGNおよびYSOの円盤における自己重力領域の半径的範囲および構造的進化はどのようになるか？
• RQ3 乱流圧力が、自己重力領域における円盤の厚さ、フラーリング、密度勾配にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 自己重力のみで、Tタウリ系およびAGNにおける観測された円盤サイズおよび降着 timescale を説明できるか？
• RQ5 自己重力の発現が、αパラメータおよび降着率の変動に対してどの程度感受的か？

主な発見

• 局所的α規定では、自己重力領域で特異的かつ急激な崩壊が生じる：極端に高い密度および表面密度、急速な収縮、温度のプラトー化。
• これに対して、αP形式でははるかに滑らかな遷移が得られる：円盤は冷たく、希薄なまま維持され、壊滅的収縮を回避する。
• 乱流圧力はα ≥ 0.1のときのみ顕著に現れ、円盤のフラーリングを増大させ、円盤を厚くする一方で、上層部の密度逆転を抑制する。
• 自己重力領域の内縁はαが小さくなるにつれて内側に移動し、遷移半径はα ≥ 0.1を除き降着率に対して弱い感受性を示す。
• Tタウリ円盤では、αに応じて3–30 AU以降に自己重力が支配的になると推定され、これは巨大惑星が自己重力的太陽系円盤内で形成された可能性を示唆する。
• AGN円盤では、約1000シュバルツシルト半径以降に自己重力が支配的になるが、表面密度が高すぎるため、長期的な核燃料供給に適合する降着 timescale を実現できない。これは、より効率的な降着メカニズムの必要性を示唆している。