[论文解读] Discs and outflows in the early phases of massive star formation: influence of magnetic fields and ambipolar diffusion

B. Commerçon, M. González+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 139被引用 47

一句话总结

本研究利用大质量恒星形成过程中的高分辨率三维自适应网格模拟，探究磁场与非理想磁流体力学（AD）在吸积、喷流及盘状结构形成中的作用。结果表明，磁过程主导早期演化，AD导致盘的磁场拓扑结构反转：理想MHD产生以环向场为主导、磁压主导的盘（β < 1），而电阻性MHD则形成内区具有垂直磁场、热压主导的盘（R < 100–200 au），从根本上改变了盘的结构与稳定性。

ABSTRACT

We study mass accretion and ejection in the vicinity of massive star forming cores using high-resolution (5 au) 3D AMR numerical simulations. We investigate the mechanisms at the origin of outflows and characterise the properties of the disc forming around massive protostars. We include both protostellar radiative feedback via PMS evolutionary tracks and magnetic ambipolar diffusion. We studied 3 different cases: purely hydrodynamical, ideal MHD, and ambipolar diffusion. In the resistive models, we investigate the effects the initial amplitude of both magnetic field and rotation have on the properties of the massive protostellar system. We use simple criteria to identify the outflow and disc material and follow their evolution as the central star accretes mass up to 20 solar mass. The outflow is completely different when magnetic fields are introduced, so that magnetic processes are the main driver of the outflow up to stellar masses of ~20 solar mass. The disc properties depend on the physics included. The disc formed in the ideal and resistive runs show opposite properties in terms of plasma beta and of magnetic fields topology. While the disc in the ideal case is dominated by the magnetic pressure and the toroidal magnetic fields, the one formed in the resistive runs is dominated by the thermal pressure and has essentially vertical magnetic fields in the inner regions (R<200 au). We find that magnetic processes dominate the early evolution of massive protostellar systems (<20 solar mass) and shapes the accretion/ejection as well as the disc formation. Ambipolar diffusion is mainly at work at disc scales and regulates its properties. Our finding for the outflow and disc properties are reminiscent of low-mass star formation, suggesting that accretion and ejection in young massive and low-mass protostars are regulated by the same physical processes at the early stages.

研究动机与目标

• 理解磁场与非理想磁流体力学在大质量原恒星早期形成过程中对质量吸积与喷流的影响。
• 解决关于大质量原恒星喷流是由辐射力还是磁加速驱动的争议。
• 在理想与电阻性MHD等不同物理条件下，表征盘的性质——质量、半径、磁场拓扑结构。
• 检验初始磁场强度与刚体旋转对最终原恒星系统的影响。
• 为大质量年轻恒星对象中盘与喷流的高分辨率观测提供可检验的预测。

提出的方法

• 采用电阻性灰辐射-MHD方程，对大质量致密核坍缩进行三维自适应网格（AMR）模拟。
• 通过主序前演化轨迹整合原恒星演化，自洽地模拟辐射反馈效应。
• 引入吸积粒子以追踪时间演化过程中的质量吸积与喷流，直至20 M⊙。
• 执行三项主要模拟：纯流体动力学、理想MHD（完全耦合）与电阻性MHD（包含非理想磁流体力学效应）。
• 改变初始磁场幅度与旋转速率，以探究参数空间的影响。
• 采用物理判据识别并追踪盘与喷流物质，测量其辐射、磁场与流体动力学特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量原恒星喷流的主要驱动力是辐射力还是磁加速？
• RQ2 磁场与非理想磁流体力学如何改变大质量恒星形成核中的盘形成与结构？
• RQ3 初始磁场强度与旋转对最终盘与喷流性质有何影响？
• RQ4 在大质量原恒星盘中，理想MHD与电阻性MHD状态下等离子体β（β）与磁场拓扑结构有何差异？
• RQ5 大质量原恒星的吸积与喷流机制在多大程度上与低质量原恒星相似？

主要发现

• 在大质量原恒星系统早期演化中（M⋆ < 20 M⊙），磁场起主导作用，磁-离心过程是喷流的主要驱动力。
• 在电阻性MHD情形下，内区盘（R < 100–200 au）具有垂直磁场且热压主导（β > 1），与理想MHD中以环向场为主导、磁压主导（β < 1）的盘形成鲜明对比。
• 电阻性MHD盘在内区因电阻效应而表现出引力不稳定性，而外区仍保持磁耦合且稳定。
• 盘的质量与半径强烈依赖于非理想MHD物理的引入，电阻模型产生具有独特磁场拓扑结构与热主导特性的盘。
• 大质量原恒星的喷流与盘性质与低质量恒星形成过程相似，表明在早期阶段，吸积与喷流由同一物理机制调控，跨越整个质量谱。
• 当喷流在磁化模型中自洽激发时，‘聚光灯效应’（即喷流清除辐射逃逸通道）依然成立。