[论文解读] Magnetically-driven jets from Keplerian accretion discs

Jonathan Ferreira|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 1996

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 73

一句话总结

本文通过严格耦合喷流动力学与吸积盘吸积过程，从开普勒吸积盘构建出自洽的、非相对论性的、磁驱动的喷流，表明喷流的喷射效率受到盘垂直平衡和角动量输运的严格约束。关键结果是，由于磁约束作用，喷流在渐近状态下发生再聚焦，且快度参数 ωA 必须接近 1 才能维持稳定解，同时盘结构决定了喷流的最小质量流率。

ABSTRACT

Non-relativistic, magnetically-driven jets are constructed by taking self-consistently into account the feedback on the underlying accretion disc. It is shown that such jets are mostly described by the ejection index $ξ= \mbox{d} \ln \dot M_a/ \mbox{d}\ln r$, which is a local measure of the disc ejection efficiency. This parameter is found to lie in a very narrow range, due to global disc-jets constraints. This investigation provided two important results. First, the disc vertical equilibrium imposes a minimum mass flux ejected. Second, their asymptotic behaviour critically depends on a fastness parameter $ω_A= Ω_*r_A /V_{Ap,A}$, ratio of the field lines rotation velocity to the poloidal Alfvén velocity at the Alfvén surface. This parameter must be bigger than, but of the order of, unity. Self-similar jets from Keplerian discs, after widening up to a maximum radius whose value increases with $ω_A$, always recollimate towards the jet axis, until the fast-magnetosonic critical point is reached. It is doubtful that such solutions could steadily cross this last point, the jet either ending there or rebouncing. Recollimation takes place because of the increasing effect of magnetic constriction. This systematic behaviour is due to the large opening of the magnetic surfaces, leading to such an efficient acceleration that matter always reaches its maximum poloidal velocity. This ``over-widening'' stems from having the same ejection efficiency $ξ$ in the whole jet. Realistic jets, fed with ejection indices varying from one magnetic surface to the other, would not undergo recollimation, allowing either cylindrical or parabolic asymptotic collimation.

研究动机与目标

• 建立包含喷流对盘反馈的磁驱动喷流在开普勒吸积盘中的完整模型。
• 确定喷射效率参数 ξ 的物理约束，其中 ξ 定义为 dlnṀa/dlnr。
• 研究喷流的渐近行为，以及其能够再聚焦的条件。
• 建立由盘垂直平衡约束决定的最小可喷射质量流率。
• 分析快度参数 ωA = Ω*rA/VAp,A 在决定喷流聚焦与稳定性中的作用。

提出的方法

• 使用磁流体动力学（MHD）方程在吸积-喷流系统中的自洽全局解。
• 采用喷射指数 ξ 作为局部衡量盘喷射效率的量，其由角动量与质量守恒推导得出。
• 通过潮汐力、磁场压力（来自 Br 和 Bϕ）与离子体压力力的平衡，实现盘的垂直平衡。
• 利用电阻率与电流密度的二阶泰勒展开，在盘表面求解周向磁场 Bϕ。
• 推导快度参数 ωA，以评估在阿尔芬面处旋转速度与阿尔芬多极速度之比。
• 分析轴向输运项对径向电流密度 Jr 的影响，表明其在盘上方维持 Jr > 0 的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 盘垂直平衡对可喷射的最小质量流率施加了何种约束？
• RQ2 快度参数 ωA 如何影响磁驱动喷流的渐近聚焦与稳定性？
• RQ3 为何来自开普勒盘的自相似喷流总是发生再聚焦？其背后的物理机制是什么？
• RQ4 喷射指数 ξ 在盘中如何变化？其取值范围为何如此狭窄？
• RQ5 在超磁声速临界点之后，稳态解是否仍可能存在？喷流是否在此处终止或发生反弹？

主要发现

• 由于盘垂直平衡与稳定角动量输运的共同作用，喷射指数 ξ 被严格限制在极窄范围内。
• 盘垂直平衡对喷射设定了最小质量流率，使得任意低喷射率的模型在物理上均不可能实现。
• 由于磁约束不断增强，喷流在渐近状态下发生再聚焦，其机制源于磁面张开较大且加速效率较高。
• 为维持稳定喷流解，快度参数 ωA 必须大于但数量级为 1（即 ωA ≈ 1）。
• 自相似喷流会扩展至一个随 ωA 增大而增大的最大半径，但在达到超磁声速临界点之前始终朝轴向再聚焦。
• 喷流不太可能在超磁声速临界点处稳定通过，表明其可能在该处终止或发生反弹。