[论文解读] Angular momentum transport in accretion disks: a hydrodynamical perspective

S. Fromang, Geoffroy Lesur|arXiv (Cornell University)|May 9, 2017

High-pressure geophysics and materials被引用 4

一句话总结

本综述探讨了吸积盘中由流体动力学驱动的角动量输运，重点关注亚临界湍流转变、垂直剪切不稳定性及非均匀不稳定性等机制。尽管已有进展，但尚无单一的流体动力学机制能完全解释观测到的输运现象，可能需要多种过程共同作用（包括MRI、VSI和引力不稳定性），而ALMA观测现已成为验证的关键。

ABSTRACT

The radial transport of angular momentum in accretion disk is a fundamental process in the universe. It governs the dynamical evolution of accretion disks and has implications for various issues ranging from the formation of planets to the growth of supermassive black holes. While the importance of magnetic fields for this problem has long been demonstrated, the existence of a source of transport solely hydrodynamical in nature has proven more difficult to establish and to quantify. In recent years, a combination of results coming from experiments, theoretical work and numerical simulations has dramatically improved our understanding of hydrodynamically mediated angular momentum transport in accretion disk. Here, based on these recent developments, we review the hydrodynamical processes that might contribute to transporting angular momentum radially in accretion disks and highlight the many questions that are still to be answered.

研究动机与目标

• 评估流体动力学过程作为吸积盘中无磁性场参与的向外角动量输运主要机制的可行性。
• 评估近年来在理解开普勒剪切流中亚临界湍流转变方面的进展，这是流体动力学中的长期难题。
• 在天体物理相关条件下，考察垂直剪切、非均匀及稳定旋转不稳定性等替代性流体动力学不稳定性。
• 调和矛盾的观测数据（例如ALMA测得的低湍流水平）与角动量输运理论模型之间的冲突。
• 识别当前实验、数值模拟与理论方法的局限性，并呼吁开展整合多方法的研究以解决开普勒流的稳定性问题。

提出的方法

• 综合数值模拟、剪切流的理论稳定性分析及实验室实验结果，评估流体动力学湍流机制。
• 应用线性稳定性理论，评估不同盘结构中垂直剪切不稳定性（VSI）和稳定旋转不稳定性（SRI）的增长率。
• 回顾盘热力学的作用，特别是在$N_z \lesssim \Omega$的原行星盘中，评估有利于非均匀或VSI驱动输运的条件。
• 将流体动力学机制与磁旋转不稳定性（MRI）进行比较，强调MRI的主导作用，同时指出其在弱电离或低对比度区域的未解难题。
• 评估径向边界和密度对比对Papaloizou-Pringle不稳定性与稳定旋转不稳定性的影响，这些不稳定性依赖于约束条件。
• 提出即使在非线性稳定的流体中，外部扰动也可能通过瞬态增长机制触发湍流。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚临界湍流转变等流体不稳定性能否解释开普勒吸积盘中高效的角动量输运？
• RQ2 热力学性质——特别是垂直分层结构与$N_z \lesssim \Omega$——在促进VSI等流体不稳定性方面发挥什么作用？
• RQ3 在具有径向约束的真实盘环境中，稳定旋转不稳定性（SRI）与Papaloizou-Pringle不稳定性（PPI）的鲁棒性如何？
• RQ4 为何近期ALMA观测显示原行星盘中湍流水平出人意料地低，与MRI及流体不稳定性模型的预测相矛盾？
• RQ5 外部扰动在原本流体动力学稳定的开普勒流中，能在多大程度上触发湍流？

主要发现

• 亚临界湍流转变仍是流体动力学角动量输运的领先候选机制，但其在吸积盘中是否存在及效率如何仍存在争议。
• 垂直剪切不稳定性（VSI）可在弱电离、分层的盘中运行，当$N_z \lesssim \Omega$时，为外盘区域提供了可行的输运机制。
• 稳定旋转不稳定性（SRI）对径向约束和密度对比敏感，因此仅在如行星空隙等局部区域相关，而非全局性机制。
• Papaloizou-Pringle不稳定性（PPI）需要强径向边界，因此不太可能驱动全局角动量输运。
• ALMA观测表明原行星盘中湍流水平异常低，这与MRI及流体不稳定性模型的预测相矛盾。
• 目前尚无单一流体动力学机制——甚至MRI本身——能完全解释观测到的角动量输运；不同盘区段可能需要多种过程共同作用。