[论文解读] Three-fluid plasmas in star formation I. Magneto-hydrodynamic equations

C. Pinto, Daniele Galli+1 more|ArXiv.org|Apr 17, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用 38

一句话总结

本文推导了由离子、电子/尘埃颗粒和中性粒子组成的三流体等离子体的广义磁流体动力学（MHD）方程，考虑了带电粒子与非以电子为主导的电荷载体之间的碰撞。研究发现，在星云坍缩过程中，由于离子-中性粒子碰撞，欧姆电阻率显著增加；当尘埃颗粒带负电荷时，霍尔电阻率可远超以往估计值；在弱电离喷流中，无碰撞扩散过程可在动力学时标内发生，对稳态模型构成挑战。

ABSTRACT

Interstellar magnetic fields influence all stages of the process of star formation, from the collapse of molecular cloud cores to the formation of protostellar jets. This requires us to have a full understanding of the physical properties of magnetized plasmas of different degrees of ionization for a wide range of densities and temperatures. We derive general equations governing the magneto-hydrodynamic evolution of a three-fluid medium of arbitrary ionization, also including the possibility of charged dust grains as the main charge carriers. In a companion paper (Pinto & Galli 2007), we complement this analysis computing accurate expressions of the collisional coupling coefficients. Over spatial and temporal scales larger than the so-called large-scale plasma limit and the collision-dominated plasma limit, and for non-relativistic fluid speeds, we obtain an advection-diffusion for the magnetic field. We derive the general expressions for the resistivities, the diffusion time scales and the heating rates in a three-fluid medium and we use them to estimate the evolution of the magnetic field in molecular clouds and protostellar jets. Collisions between charged particles significantly increase the value of the Ohmic resistivity during the process of cloud collapse, affecting in particular the decoupling of matter and magnetic field and enhancing the rate of energy dissipation. The Hall resistivity can take larger values than previously found when the negative charge is mostly carried by dust grains. In weakly-or mildy-ionized protostellar jets, ambipolar diffusion is found to occur on a time scale comparable to the dynamical time scale, limiting the validity of steady-state and nondissipative models to study the jet's structure.

研究动机与目标

• 为恒星形成中部分电离等离子体建立一种严格且通用的MHD方程形式，适用于不同电离度和粒子质量的情形。
• 解决标准MHD近似中忽略带电粒子间碰撞且假设电子为主要负电荷载体的局限性。
• 为建模分子云核和原恒星喷流中磁场演化提供一个自洽的框架，尤其在尘埃颗粒主导电荷输运的条件下。
• 实现对低电离环境中电阻率、扩散时标和能量耗散的精确建模，这些环境在恒星形成中至关重要。

提出的方法

• 推导轴对称系统中磁通量的对流-扩散方程，包含电阻、霍尔和无碰撞扩散项。
• 推导三流体系统中电阻率系数（欧姆、霍尔、无碰撞扩散）的一般表达式，适用于任意电离度和粒子质量。
• 利用带电粒子与中性粒子之间的碰撞耦合系数，计算动量传递速率和电阻率，同时考虑弹性与非弹性碰撞。
• 将推导出的方程应用于分析分子云核和原恒星喷流中磁场演化时标和加热速率，采用解析模型。
• 严格评估近似方法的有效性，包括大尺度电浆极限和碰撞主导电浆极限，并讨论Biermann项与磁质项的作用。
• 与多流体方法进行比较，表明标准多流体方案无法自洽地包含带电粒子之间的碰撞。

实验结果

研究问题

• RQ1 当尘埃颗粒而非电子作为负电荷载体时，部分电离等离子体中的电阻率系数（欧姆、霍尔、无碰撞扩散）如何变化？
• RQ2 离子-中性粒子碰撞对分子云核坍缩过程中磁场演化有何影响？
• RQ3 原恒星喷流中磁扩散时标与动力学时标相比如何？这对稳态模型有何启示？
• RQ4 标准MHD近似在典型恒星形成中低电离环境下的失效程度如何？
• RQ5 所推导的电阻率表达式与多流体方法的结果相比如何？在何种参数区间内多流体方法不足？

主要发现

• 由于离子-中性粒子碰撞增强，欧姆电阻率在星云坍缩过程中显著增加，导致更强的磁场扩散和能量耗散。
• 当尘埃颗粒携带负电荷时，霍尔电阻率可远大于以往估计值，尤其在低密度、低温的云核中更为显著。
• 在弱电离或中等电离的原恒星喷流中，无碰撞扩散时标与动力学时标相当，因此稳态和无耗散模型无法准确描述喷流结构。
• 标准多流体方法无法自洽地包含带电粒子之间的碰撞，导致电阻率和电导率估算出现偏差。
• 在尘埃颗粒数密度较高的分子云核中，自由电子密度降至零，因所有负电荷均由尘埃颗粒承载，从而根本改变电浆输运特性。
• 所推导的电阻率表达式适用于广泛的天体物理环境，包括低电离等离子体中的辐射驱动风和激波。