[論文レビュー] Outflows from magnetic rotators I. Inner structure

Thibaut Lery, J. Heyvaerts+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 1999

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、回転する磁化星からの磁場に沿った風の非自己相似軸対称モデルを提示する。磁場面を円錐面と仮定し、臨界面でアルフベーン正則性を満たす。エネルギー、角運動量、質量・磁束比の内側構造を解き、回転が進むにつれて臨界面が強く歪むこと、有限のエントロピーが与えられた質量放出率に対して最大回転速度を制限することを示す。

ABSTRACT

A simplified model for the stationary, axisymmetric structure of magnetized winds with a polytropic equation of state is presented. The shape of the magnetic surfaces is assumed to be known (conical in this paper) within the fast magnetosonic surface. The model is non-self-similar. The regularity of the magnetic surfaces at critical surfaces is ensured by the Alfvèn regularity condition and criticality conditions at the slow and fast magnetosonic critical points. These conditions are used to evaluate three constants of motion, the total energy, angular momentum, and the ratio of mass to magnetic flux $α$, as well as the shape of the critical surfaces. The rotation rate $Ω$ and the polytropic constant $Q$ as a function of the magnetic surfaces, together with the mass-to-magnetic flux ratio on the axis $α_0$ entirely specify the model. Analytic results are given for limiting cases, and parameter studies are performed by numerical means. The model accepts any boundary conditions. Given the properties of astrophysical objects with outflows, the model allows their classification in terms of a rotation parameter. Critical surfaces are nearly spherical for slow rotators, but become strongly distorted for rapid rotators. The fast point remains at a finite distance for finite entropy flows, in contrast to cold flows.It is found that for a given mass loss rate, the rotation rate is limited.

研究の動機と目的

• 回転する磁化星からの定常的・軸対称的内側風構造をモデル化すること。
• 回転速度と多変化指数が磁気流体力学的風の臨界面の幾何学的・力学的性質に与える影響を特定すること。
• 固定された質量放出率に対して有限エントロピー流の最大回転速度に課される制約を確立すること。
• モデルから導かれる回転パラメータに基づいて、天体的風を分類すること。

提案手法

• 高速磁気音速面内での磁場面を円錐面と仮定し、問題の幾何的構造を単純化する。
• アルフベーン面でアルフベーン正則性条件を課し、流れの滑らかな遷移を保証する。
• 遅いおよび速い磁気音速点で臨界性条件を適用し、運動量の保存定数を決定する。
• 全エネルギー、角運動量、質量・磁束比 $\alpha$ の3つの保存量を解く。
• 回転速度と多変化指数の変動にわたる数値的パラメータスタディを実施する。
• モデルを非自己相似とみなすことで、任意の境界条件および物理的パラメータを許容する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転は、磁化星風の臨界面の形状と歪みにどのように影響するか？
• RQ2 固定された質量放出率と有限エントロピーに対して、最大回転速度に課される制約は何か？
• RQ3 保存量（エネルギー、角運動量、$\alpha$）が風構造にどのように寄与するか？
• RQ4 モデルは回転パラメータに基づいて天体的風を分類できるか？
• RQ5 有限エントロピー流における高速磁気音速点の挙動はいかなるものか？

主な発見

• 遅い回転星では臨界面がほぼ球形であるが、高速回転星では回転の影響で強く歪む。
• 冷たい流れの仮定とは対照的に、有限エントロピー流では高速磁気音速点が星から有限の距離に位置する。
• 固定された質量放出率に対して、回転速度は流れのエントロピーによって制限され、エントロピーが高いほど高い回転が可能になる。
• モデルは回転速度 $\Omega$、多変化定数 $Q$、および軸対称的質量・磁束比 $\alpha_0$ のみを用いて風構造を完全に指定できる。
• アルフベーン正則性条件により、アルフベーン面を越える流れが滑らかに確保され、一貫した解の構築が可能になる。
• モデルは非自己相似的であり、任意の境界条件を扱えるため、天体物理学的応用性が向上する。