[論文レビュー] The Effects of Large-Scale Magnetic Fields on Disk Formation and Evolution

Arieh Königl, Raquel Salmeron|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 20被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、原始惑星円盤内の大型で秩序立てられた磁場が、磁場ブレーキingおよび遠心力駆動風を通じて垂直方向の角運動量輸送を引き起こす仕組みを調査し、MRIによる径方向輸送とは対照的な代替メカニズムを提示する。磁場が円盤の乱流を抑制し、円盤構造を変化させ、惑星形成に与える影響（移動やダストのダイナミクスの変化を含む）を示している。

ABSTRACT

This is a draft chapter for a book, entitled Physical Processes in Circumstellar Disks around Young Stars, which is scheduled for publication by the University of Chicago Press as one of its Theoretical Astrophysics Series volumes. Sect. 1 presents the motivation for considering the effects of a large-scale, ordered magnetic field on the formation and evolution of protostellar disks. Sect. 2 outlines the physical principles that underlie the magnetohydrodynamics of disks that are threaded by such a field. Sect. 3 discusses the formation and early evolution of disks that result from the collapse of a rotating molecular cloud core that is coupled to the insterstellar magnetic field. Sect. 4 reviews the observational evidence for the disk--wind connection and describes the structure of magnetically accelerated disk outflows, focusing on centrifugally driven winds; it then goes on to discuss the equilibrium and stability properties of weakly ionized protostellar accretion disks in which the transport of angular momentum is dominated by a wind of this type. Sect. 5 considers the coupling between the central protostar and the surrounding disk through the protostellar magnetic field, covering, in turn, the phenomenology, basic concepts, and results of numerical simulations. The chapter is summarized in Sect. 6, which also contains a discussion of future research directions.

研究の動機と目的

• 大型で秩序立てられた磁場が原始惑星円盤における垂直方向の角運動量輸送をどのように可能にするかを調査し、MRIによる従来の径方向輸送と対比する。
• 磁場ブレーキングおよび遠心力駆動風が円盤構造および降着-噴流カップリングに与える影響を評価する。
• 磁場が磁化された円盤内でのダストダイナミクス、粒子の分布および微惑星形成に与える影響を調査する。
• 大型磁場が磁場共鳴を介してタイプI惑星移動を抑制または逆転させ得るかどうかを評価する。
• 磁化された円盤において垂直方向と径方向の角運動量輸送のどちらが優勢になるかの条件を特定する。

提案手法

• 理想磁気流体力学（MHD）を用いて磁化円盤内の力のバランスをモデル化し、ローレンツ力 $\vec{F} = \vec{J} \times \vec{B}/c$ および磁場圧力・磁場ひずみ項を含む。
• 円盤を通るポロイダル磁場フラックスの保存を適用し、境界で変更されない限り、開放された磁場線が維持されることを保証する。
• ねじれAlfvén波を用いた磁場ブレーキングの分析を行い、角運動量が磁場線に沿って周囲媒質へ運ばれる。
• 遠心力駆動風（CDW）を垂直方向の角運動量輸送のメカニズムとしてモデル化し、円盤表面での磁場応力によって駆動される。
• ガス-ダスト結合、径方向および垂直方向の漂流、および上昇後の再流入を考慮して、MHDモデルにダストダイナミクスを統合する。
• Lindblad共鳴に類似した磁場共鳴を評価し、方位磁場プロファイル $B_\phi^2 \propto r^{-1} \text{ から } r^{-2}$ を用いて、低質量惑星に作用するグローバルトルクを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大型で秩序立てられた磁場は、MRI駆動の径方向輸送と比較して、原始惑星円盤における角運動量輸送の主なモードをどのように変化させるか？
• RQ2 磁化円盤において、磁場ブレーキングが径方向の粘性輸送を上回る条件は何か？
• RQ3 大型磁場が円盤風におけるダスト粒子の分布、径方向移動および熱処理に与える影響は何か？
• RQ4 ポロイダルおよび方位磁場によって生成される磁場共鳴は、タイプI惑星移動を抑制または逆転させ得るか？
• RQ5 大型磁場の存在が、密度スケール高さや表面密度プロファイルを含む円盤構造に与える影響は何か？

主な発見

• 大型で秩序立てられた磁場は、磁場ブレーキングおよび遠心力駆動風を通じて垂直方向の角運動量輸送を引き起こし、MRI駆動の径方向輸送とは対照的な代替メカニズムとして有効である。
• 磁場ブレーキングは、円盤内部の角運動量を効率的に除去する。トルクは円盤表面層に作用し、ねじれAlfvén波を介して周囲媒質へ運動量を伝達する。
• 遠心力駆動風は、磁場が強く秩序立てられている領域で角運動量を運び出し、降着と噴流のカップリングを強化する。
• 磁場は円盤を垂直方向に圧縮し、磁場による圧縮効果（磁場スイーピング）によって密度スケール高さを低下させ、ガスおよびダストのダイナミクスに影響を与える。
• 中程度のサイズのダスト粒子は風によって持ち上がり、外向きに移動し、より大きな半径で再流入する可能性があり、原始太陽系円盤で観測される結晶性粒子の外向き輸送を可能にする。
• 磁場共鳴（特に $B_\phi^2 \propto r^{-1} \text{ から } r^{-2}$ のような方位磁場によるもの）は、グローバルトルクを生成し、タイプI惑星移動を逆転または停止させる可能性がある。