[论文解读] On the transition to self-gravity in low mass AGN and YSO accretion discs

J.-M. Huré|arXiv (Cornell University)|May 5, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 3被引用 13

一句话总结

本文针对低质量活动星系核（AGN）和原恒星盘（YSO）的吸积盘，构建了一个二维垂直结构模型，自洽地包含了湍流粘性（采用两种α-预设形式）、自引力、湍流输运和湍流压力。研究发现，向自引力主导的过渡过程对粘性能量沉积分布极为敏感：局部α-预设形式导致奇异的、灾难性的坍缩，而αP-形式则产生更平滑、更冷、更弥散的过渡，表明自引力显著改变了外盘区域的盘结构与吸积动力学。

ABSTRACT

The equations governing the vertical structure of a stationary keplerian accretion disc are presented. The model is based on the alpha-viscosity, includes self-gravity, convective transport and turbulent pressure. A few properties of the model are discussed for circumstellar and AGN discs. We show the strong sensitivity of the disc structure to the viscous energy deposition towards the vertical axis, specially when entering inside the self-gravitating part of the disc. The local version of the alpha-prescription leads to a "singular" behavior which is also predicted by the vertically averaged model. With respect, a much softer transition is observed with the "alpha-P" formalism. Turbulent pressure is important only for alpha > 0.1. It lowers vertical density gradients, significantly thickens the disc, tends to wash out density inversions and pushes the self-gravitating region to slightly larger radii. Curves localizing the inner edge of the self-gravitating disc as functions of the viscosity parameter and accretion rate are given. The lower alpha, the closer to the center the self-gravitating regime, and the sensitivity to the accretion rate is generally weak, except for alpha < 0.1. This study suggests that models aiming to describe T-Tauri discs beyond about a few to a few tens astronomical units from the central protostar using the alpha-theory should consider vertical self-gravity. The Primitive Solar Nebula was probably a bit (if not strongly) self-gravitating at the actual orbit of giant planets. Alpha-discs hosted by active galaxies are self-gravitating beyond about a thousand Schwarzchild radii. The inferred surface density remains too high to lower the accretion time scale. More efficient mechanisms driving accretion are required.

研究动机与目标

• 建立低质量AGN与YSO中稳定、开普勒旋转吸积盘的垂直结构模型，包含自引力、湍流压力与对流输运。
• 研究从经典盘到自引力盘的过渡过程，特别是其对粘性与吸积率的依赖性。
• 评估不同α-预设形式（局部形式 vs. αP-形式）对盘结构与稳定性的有效性及其影响。
• 确定自引力是否足以解释T-Tauri恒星与AGN中观测到的盘尺度与吸积 timescales。
• 评估湍流压力与垂直能量沉积在塑造盘厚度与表面密度分布中的作用。

提出的方法

• 基于流体静力平衡、能量平衡与角动量守恒，采用二维垂直结构模型，适用于稳定、开普勒旋转的盘。
• 采用两种形式的α-预设来描述湍流粘性：局部形式与考虑垂直能量沉积的αP-形式。
• 使用单侧打靶法求解系统，并采用针对刚性初值问题的专用算法。
• 采用精确的状态方程，并结合Rosseland均值与Planck均值吸收的深度依赖性消光系数网格。
• 通过混合长理论引入对流输运，并在无限薄板近似下包含自引力效应。
• 在YSO（中心恒星质量为太阳质量）与AGN（中心黑洞质量为10⁸ M⊙）两种情形下，测试不同吸积率与α值的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 粘性能量沉积方式（局部α形式 vs. αP-形式）如何影响吸积盘中自引力主导过渡过程？
• RQ2 低质量AGN与YSO盘中自引力区域的径向范围与结构演化为何？
• RQ3 湍流压力在自引力区域中对盘厚度、盘面张开度与密度梯度的影响程度如何？
• RQ4 自引力是否足以解释T-Tauri系统与AGN中观测到的盘尺度与吸积 timescales？
• RQ5 自引力的触发对α参数与吸积率变化的敏感性如何？

主要发现

• 局部α-预设形式导致自引力区域出现奇异、灾难性的行为：密度与表面密度急剧上升，快速坍缩，并出现温度平台。
• 相比之下，αP-形式产生更平滑的过渡：盘体保持低温与弥散，避免了灾难性坍缩。
• 湍流压力仅在α ≥ 0.1时变得显著，导致盘面张开度增加并使盘体变厚，同时抑制上层区域的密度反转。
• 随着α减小，自引力区域的内边界向内移动，且过渡半径对吸积率的依赖性极弱，仅在α ≥ 0.1时显著。
• 对于T-Tauri盘，自引力可能在3–30 AU范围主导，取决于α值，表明巨行星可能在自引力的太阳星云中形成。
• AGN盘在约1000倍史瓦西半径之外呈现自引力特征，但表面密度仍过高，无法支持长期核燃料供给所需的吸积 timescales，暗示需要更高效的吸积机制。