[论文解读] 3-D numerical simulations of rotating jets: The case of the DG Tau microjet

A. H. Cerqueira, E. M. de Gouveia Dal Pino|ArXiv.org|Sep 13, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 14被引用 10

一句话总结

本研究通过三维SPH与SPMHD模拟DG Tau微喷流，综合考虑了旋转、进动、脉动、辐射冷却及磁场的影响。结果表明，表面旋转速度约为8 km s⁻¹、由约0.5 mG磁场约束的喷流能够重现观测到的结状结构与径向速度分布，证实旋转是该微喷流的关键特征，且与磁-离心力喷流模型一致。

ABSTRACT

We here present results of three-dimensional Smoothed Particle hydro and magnetohydrodynamics simulations of rotating jets, also including the effects of radiative cooling, precession and velocity variability. Using initial conditions and parameters which are particularly suitable for the DG Tau microjet, we have been able to approximately reproduce its complex knotty morphology and kinematics. We have also obtained radial velocity maps which are in good agreement with the data obtained by Bacciotti et al., thus indicating that their interpretation that the DG Tau microjet is rotating is correct. Finally, we have found that a magnetic field of the order of ~ 0.5 mG is sufficient to collimate the jet against the lateral expansion that is caused by the centrifugal forces.

研究动机与目标

• 探究DG Tau中观测到的喷流旋转是否在进动与脉动等竞争效应中具有独特性。
• 通过三维流体动力学与磁流体动力学模拟重现DG Tau微喷流的复杂结状结构与径向速度分布。
• 确定为对抗离心力膨胀而约束旋转喷流所需的磁场强度。
• 检验模拟喷流运动学是否与Bacciotti等人（2002年）的观测数据一致。
• 评估磁-离心力喷流模型在真实物理条件下是否能解释喷流的观测特性。

提出的方法

• 采用三维光滑粒子流体动力学（SPH）与光滑粒子磁流体动力学（SPMHD）代码，在带周期性边界条件的三维长方体区域内模拟喷流演化。
• 初始条件设定为匹配DG Tau的观测参数：喷流半径Rj = 5.6×10¹⁴ cm，喷流密度nj = 2000 cm⁻³，环境密度na满足η = nj/na = 10，喷流速度vj ≈ 300 km s⁻¹。
• 通过正弦速度分布模拟脉动喷发，振幅A = 0.33，周期τpul = 8年，与观测到的变异性一致。
• 进动通过半角5°、周期τprec = 8年引入，与观测一致。
• 旋转通过表面φ方向速度约8 km s⁻¹、轴心处约55 km s⁻¹实现，角动量守恒。
• 辐射冷却通过适用于宇宙丰度等离子体从10⁶ K冷却至9×10³ K的非时间依赖冷却函数建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 当同时包含旋转、进动与脉动时，三维模拟能否重现DG Tau微喷流的结状结构与径向速度分布？
• RQ2 DG Tau中观测到的径向速度分布是否与旋转喷流一致？还是可仅由进动或脉动解释？
• RQ3 为对抗离心力膨胀而约束旋转喷流，所需磁场强度为何值？
• RQ4 模拟喷流运动学是否与Bacciotti等人（2002年）的观测数据一致？
• RQ5 模拟表明约0.5 mG的磁场是否足以平衡DG Tau喷流中的离心力，如前所述？

主要发现

• 模型C（包含脉动（8年周期）、进动（半角5°，8年周期）与旋转（表面vφ ≈ 8 km s⁻¹））最能重现DG Tau微喷流的观测结状结构与运动学特征。
• 模拟的径向速度图与Bacciotti等人（2002年）的观测高度一致，支持喷流旋转的解释。
• 约0.5 mG的磁场（喷流表面β ≈ 10）足以抵抗离心力导致的横向膨胀，实现喷流约束。
• 模拟的磁张力与离心力平衡，简单估算得在40 AU处B ≈ 0.2 mG，与模拟所需值一致。
• 磁通量守恒表明恒星表面附近磁场强度约为100 G，与原恒星磁场及磁-离心力喷流模型相容。
• 即使存在脉动与进动，旋转特征在模拟运动学中仍保持显著且可唯一识别。