[论文解读] Nonradial and nonpolytropic astrophysical outflows IV. Magnetic or thermal collimation of winds into jets?

C. Sauty, K. Tsinganos+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 1999

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出了一种分析性轴对称MHD模型，以研究在热、磁化喷流被准直为喷流的过程中，磁压还是热压占主导地位。研究发现，只有当磁压缩效应微弱且喷流在轴向上处于过压状态时，才会形成圆柱形喷流剖面，此时平衡由磁压或热压对抗离心力或压力力维持；当磁压和热压对约束的贡献相当时，喷流半径和终端速度达到最优。

ABSTRACT

An axisymmetric MHD model is examined analytically to illustrate some key aspects of the physics of hot and magnetized outflows which originate in the near environment of a central gravitating body. By analyzing the asymptotical behaviour of the outflows it is found that they attain a variety of shapes such as conical, paraboloidal or cylindrical. However, non cylindrical asymptotics can be achieved only when the magnetic pinching is negligible and the outflow is overpressured on its symmetry axis. In cylindrical jet-type asymptotics, the outflowing plasma reaches an equilibrium wherein it is confined by magnetic forces or gas pressure gradients, while it is supported by centrifugal forces or gas pressure gradients. In which of the two regimes (with thermal or magnetic confinement) a jet can be found depends on the efficiency of the central magnetic rotator. The radius and terminal speed of the jet are analytically given in terms of the variation across the poloidal streamlines of the total energy. Large radius of the jet and efficient acceleration are best obtained when the external confinement is provided with comparable contributions by magnetic pinching and thermal pressure. In most cases, collimated streamlines undergo oscillations with various wavelengths, as also found by other analytical models. Scenarios for the evolution of outflows into winds and jets in the different confinement regimes are shortly outlined.

研究动机与目标

• 理解非径向、非多相变天体喷流被准直为准直喷流的物理机制。
• 确定在将喷流约束并塑造成圆柱形喷流的过程中，磁力还是热压梯度是主导作用力。
• 研究在磁流体动力学（MHD）喷流中，何时可实现渐近喷流型解（圆锥形、抛物形或圆柱形）。
• 评估中心磁旋转体在决定喷流约束模式（磁约束 vs. 热压约束）中的作用。
• 基于流线上能量分布，推导喷流半径和终端速度的解析表达式。

提出的方法

• 采用轴对称MHD模型描述靠近中心引力体的热、磁化喷流的动力学行为。
• 通过分析流线的渐近行为对流线形状进行分类：圆锥形、抛物形或圆柱形。
• 在大距离极限下求解运动方程，重点研究磁压、气体压和离心力之间的力平衡。
• 将单位质量的总能量用作关键变量，描述流线间径向和极向的流动变化。
• 通过考虑磁力线张力和电浆压梯度，确定约束机制。
• 在理想MHD假设下推导解，特别关注喷流远场区域的平衡条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，非径向、非多相变喷流可发展出圆柱形喷流型渐近剖面？
• RQ2 在将喷流准直为稳定喷流的过程中，主导作用力是磁压缩还是热压梯度？
• RQ3 中心磁旋转体的效率如何影响磁约束与热压约束模式之间的转换？
• RQ4 在渐近区域，决定准直喷流最终半径和终端速度的因素是什么？
• RQ5 为何在许多解析模型中流线形状会出现振荡？这与基本的力平衡有何关联？

主要发现

• 仅当磁压缩效应可忽略且喷流在对称轴方向处于过压状态时，才能实现圆柱形喷流型渐近行为。
• 在圆柱形喷流中，平衡由磁压或热压梯度与离心力或气体压力的平衡维持。
• 喷流半径和终端速度可基于极向流线上总能量的变化进行解析表达。
• 当磁压缩和热压对外部约束的贡献相当时，可实现最优喷流准直，表现为大半径和高效加速。
• 非圆柱形渐近形状（圆锥形、抛物形）更为常见，与更强的磁压缩或更弱的过压相关。
• 流线形状的振荡行为是该模型的普遍特征，与其它解析MHD喷流模型的发现一致。