[논문 리뷰] Self-organisation in protoplanetary disks: global, non-stratified Hall-MHD simulations

William Béthune, Geoffroy Lesur외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 08.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 40인용 수 41

한 줄 요약

이 연구는 원형, 비층상, 홀-마그네토유체역학(MHD) 시뮬레이션에서 원형성행성계 디스크의 홀 효과가 자기회전불안정성(MRI) 난류의 자발적 정렬을 통해 주요 구조물, 예를 들어 존 플로우와 장수명의 자기장이 있는 소용돌이로 이끌어내는 것을 보여준다. 핵심 결과는 홀 효과 강도를 높일수록 난류 운반 작용이 억제되고,-dust 입자를 포획할 수 있는 축대칭 고리 또는 소용돌이가 자발적으로 형성된다는 것이다. 이는 행성 없이 관측된 디스크 구조를 설명하는 데 유의미한 메커니즘이다.

ABSTRACT

Recent observations revealed organised structures in protoplanetary disks, such as axisymmetric rings or horseshoe concen- trations evocative of large-scale vortices. These structures are often interpreted as the result of planet-disc interactions. However, these disks are also known to be unstable to the magneto-rotational instability (MRI) which is believed to be one of the dominant angular momentum transport mechanism in these objects. It is therefore natural to ask if the MRI itself could produce these structures without invoking planets. The nonlinear evolution of the MRI is strongly affected by the low ionisation fraction in protoplanetary disks. The Hall effect in particular, which is dominant in dense and weakly ionised parts of these objects, has been shown to spontaneously drive self- organising flows in shearing box simulations. Here, we investigate the behaviour of global MRI-unstable disc models dominated by the Hall effect and characterise their dynamics. We perform 3D unstratified Hall-MHD simulations of keplerian disks for a broad range of Hall, ohmic and ambipolar Elsasser numbers. We confirm the transition from a turbulent to an organised state as the intensity of the Hall effect is increased. We observe the formation of zonal flows, their number depending on the available magnetic flux and on the intensity of the Hall effect. For intermediate Hall intensity, the flow self-organises into long-lived magnetised vortices. Neither the addition of a toroidal field nor ohmic or ambipolar diffusion drastically change this picture in the range of parameters we have explored. The ability of these structures to trap dust particles in this configuration is demonstrated. We conclude that Hall-MRI driven organisation is a plausible scenario which could explain some of the structures found in recent observations.

연구 동기 및 목표

• 행성의 존재를 가정하지 않고 홀 효과가 MRI 불안정성의 원형성행성계 디스크에서 자발적 정렬을 이끌 수 있는지 조사하기.
• 글로벌, 비층상 시뮬레이션에서 홀-MHD 역학이 존 플로우와 소용돌이 같은 대규모 구조를 어떻게 생성하는지 규명하기.
• 자기장 확산성(오믹, 앤비파르)과 초기 동축 자기장에 따라 자발적 정렬이 얼마나 견고한지 평가하기.
• 이러한 자발적 정렬된 구조물이 먼지 입자를 포획할 잠재력을 가지며, 링과 비대칭 포획 구조 같은 관측 결과와 어떻게 관련되는지 평가하기.
• 홀 효과가 글로벌 디스크 구성에서 난류 운반 작용을 억제하고 층상의 대규모 유동을 유지할 수 있는지 테스트하기.

제안 방법

• 케플러 운동을 갖는 배경 흐름과 축대칭 자기장이 있는 3차원 글로벌 비층상 홀-MHD 시뮬레이션을 PLUTO 코드를 사용해 수행.
• 정확도를 확보하기 위해 원통좌표계에서 스펙트럼 방법을 사용해 홀 효과를 구현하고 검증.
• 홀, 오믹, 앤비파르 엘라서어 수를 넓은 범위에서 체계적으로 탐색하여 매개변수 공간을 매핑.
• 자기장의 양과 홀 강도에 따라 변화하는 상태 전이를 추적하기 위해 홀 매개변수 ℒ(홀 엘라서어 수)를 주요 제어 변수로 사용.
• 존 플로우와 소용돌이를 식별하기 위해 자기장 스트레스, 속도 편미분, 자기장 구조를 분석.
• 자발적 정렬의 견고성 테스트를 위해 네트워크 동축 자기장과 확산 효과(오믹 및 앤비파르)를 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 홀 효과가 글로벌, 비층상 시뮬레이션에서 MRI 불안정성의 원형성행성계 디스크에서 대규모 자발적 정렬을 이끌 수 있는가?
• RQ2 홀 효과 강도를 높일수록 난류 상태에서 정렬 상태로의 전이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 홀-MRI 역학에서 나타나는 공명 구조물(존 플로우 또는 소용돌이 등)의 유형은 자기력선과 홀 강도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 확산 효과(오믹, 앤비파르)가 포함된 경우에도 자발적 정렬된 구조물이 안정적이고 먼지 입자를 포획하는 데 효과적인가?
• RQ5 초기 동축 자기장과 확산성 매개변수의 변화에 대해 자발적 정렬 메커니즘이 얼마나 견고한가?

주요 결과

• 난류에서 정렬된 흐름으로의 전이가 홀 엘라서어 수 ℒ ≈ 0.1에서 발생함을 확인하여 자발적 정렬의 임계 임계값을 규명.
• ℒ ≳ 1인 경우, 장수명의 축대칭 존 플로우가 형성되며, 가용한 자기력선과 홀 강도가 클수록 그 수가 증가하고, 두께 약 ~h인 자기장 집합대가 형성됨.
• 중간 강도의 홀 효과(ℒ ~ 0.1–1)에서는 대규모로 안정된 자기장이 있는 소용돌이가 자발적으로 형성되며, 국소적 시뮬레이션인 시어링 박스 모델에서는 반경 방향 범위가 제한되어 있어 관찰할 수 없는 특성임.
• 순수한 동축 자기장이나 확산 효과(오믹 및 앤비파르)를 추가하더라도 자발적 정렬 과정이 방해받지 않으며, 시간이 지남에 따라 구조물이 서서히 융합됨.
• 앤비파르 확산은 순수한 홀-MRI보다 낮은 홀 매개변수 ℒ에서도 자발적 정렬을 가능하게 하여 정렬 가능한 매개변수 범위를 넓힘.
• 특히 소용돌이와 존 플로우와 같은 자발적 정렬된 구조물은 먼지 입자를 포획할 수 있으며, 이는 ALMA 관측에서 관측된 링과 비대칭 포획 구조를 설명하는 가능성이 있는 행성 없는 메커니즘을 제시함.