[论文解读] Kelvin-Helmholtz instability of stratified jets

M. Hanasz, Hélène Sol|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 1996

Scientific Research and Discoveries参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文采用流体动力学、平面平行涡流片模型，研究了由相对论性内核和非相对论性包层组成的分层天体喷流的线性稳定性。研究发现，包层与外部气体界面处的波反射会导致振荡增长率，且即使包层很薄，也能显著稳定喷流，这对活动星系核中的射电明亮/射电暗弱二分法具有重要意义。

ABSTRACT

We investigate the Kelvin-Helmholtz instability of stratified jets. The internal component (core) is made of a relativistic gas moving with a relativistic bulk speed. The second component (sheath or envelope) flows between the core and external gas with a nonrelativistic speed. Such a two-component jet describes a variety of possible astrophysical jet configurations like e.g. (1) a relativistic electron-positron beam penetrating a classical electron-proton disc wind or (2) a beam-cocoon structure. We perform a linear stability analysis of such a configuration in the hydrodynamic, plane-parallel, vortex-sheet approximation. The obtained solutions of the dispersion relation show very apparent differences with respect to the single-jet solutions. Due to the reflection of sound waves at the boundary between sheet and external gas, the growth rate as a function of wavenumber presents a specific oscillation pattern. Overdense sheets can slow down the growth rate and contribute to stabilize the configuration. Moreover, we obtain the result that even for relatively small sheet widths the properties of sheet start to dominate the jet dynamics. Such effects could have important astrophysical implications, for instance on the origin of the dichotomy between radio-loud and radio-quiet objects.

研究动机与目标

• 理解具有双组分结构（相对论性内核和较慢的非相对论性包层）的天体喷流的稳定性特性。
• 研究包层的存在如何影响开尔文-赫姆霍兹不稳定性增长速率，相较于单组分喷流。
• 探讨包层的动力学影响，特别是其厚度和密度对喷流稳定性与演化的影响。
• 评估这些不稳定性在天体物理上的意义，特别是对射电明亮与射电暗弱活动星系核二分法的起源。

提出的方法

• 采用流体动力学、平面平行涡流片近似进行线性稳定性分析。
• 将喷流建模为双层系统：一个相对论性内核和一个非相对论性包层，嵌入外部介质中。
• 在小扰动假设下推导色散关系，考虑界面处速度和密度的不连续性。
• 显式建模包层-外部气体边界处的声波反射，影响不稳定模态的相速度和增长速率。
• 考虑过密片层和不同片层宽度，以评估其稳定作用。
• 数值求解色散关系，以确定增长速率随波数的变化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 非相对论性包层的存在如何改变相对论性喷流中开尔文-赫姆霍兹不稳定性增长速率？
• RQ2 包层-外部气体界面处的波反射在何种程度上改变了不稳定性增长模式？
• RQ3 相对薄的包层在多大程度上能主导分层喷流的动力学行为？
• RQ4 包层与外部介质之间的密度对比如何影响喷流构型的稳定性？
• RQ5 这些不稳定性对观测到的射电明亮与射电暗弱活动星系核二分法有何影响？

主要发现

• 由于包层-外部气体界面处的声波反射，开尔文-赫姆霍兹模态的增长率表现出明显的振荡模式。
• 发现过密片层会抑制增长速率，有助于稳定喷流构型。
• 即使片层宽度相对较小，其物理特性也开始主导喷流的动力学行为。
• 双组分结构导致显著偏离单喷流不稳定解，特别是在增长速率的波数依赖性方面。
• 这些效应可能有助于解释射电明亮与射电暗弱活动星系核二分法的起源，因为包层诱导的稳定化可能抑制喷流破坏并增强准直性。