[论文解读] Outflows from magnetic rotators I. Inner structure

Thibaut Lery, J. Heyvaerts+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 1999

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用 7

一句话总结

本文提出了一种针对旋转磁星磁化风的非自相似轴对称模型，假设磁力线为圆锥形，并在临界面处施加阿尔芬正则性条件。通过求解能量、角动量和质量-通量比，推导出喷流的内结构，表明随着旋转加快，临界面会显著扭曲，且有限熵限制了给定质量损失率下的最大旋转速率。

ABSTRACT

A simplified model for the stationary, axisymmetric structure of magnetized winds with a polytropic equation of state is presented. The shape of the magnetic surfaces is assumed to be known (conical in this paper) within the fast magnetosonic surface. The model is non-self-similar. The regularity of the magnetic surfaces at critical surfaces is ensured by the Alfvèn regularity condition and criticality conditions at the slow and fast magnetosonic critical points. These conditions are used to evaluate three constants of motion, the total energy, angular momentum, and the ratio of mass to magnetic flux $α$, as well as the shape of the critical surfaces. The rotation rate $Ω$ and the polytropic constant $Q$ as a function of the magnetic surfaces, together with the mass-to-magnetic flux ratio on the axis $α_0$ entirely specify the model. Analytic results are given for limiting cases, and parameter studies are performed by numerical means. The model accepts any boundary conditions. Given the properties of astrophysical objects with outflows, the model allows their classification in terms of a rotation parameter. Critical surfaces are nearly spherical for slow rotators, but become strongly distorted for rapid rotators. The fast point remains at a finite distance for finite entropy flows, in contrast to cold flows.It is found that for a given mass loss rate, the rotation rate is limited.

研究动机与目标

• 建立旋转磁星磁化风的稳态、轴对称内结构模型。
• 确定旋转速率和多变指数如何影响磁流体动力学喷流中临界面的几何形状与动力学特性。
• 为固定质量损失率下的有限熵流建立最大旋转速率的约束条件。
• 基于模型推导的旋转参数对天体物理喷流进行分类。

提出的方法

• 假设在快磁声速面以内磁力线为圆锥形，简化问题的几何结构。
• 在阿尔芬面处施加阿尔芬正则性条件，以确保流场平滑过渡。
• 在慢磁声速点和快磁声速点处应用临界性条件，以确定运动常数。
• 求解三个守恒量：总能量、角动量和质量-磁通量比 $\alpha$。
• 通过数值参数研究探索不同旋转速率和多变指数下的解。
• 将模型视为非自相似，允许任意边界条件和物理参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转如何影响磁化恒星风中临界面的形状与扭曲程度？
• RQ2 对于给定的质量损失率和有限熵，最大旋转速率受到何种限制？
• RQ3 守恒量——能量、角动量和 $\alpha$——如何决定风的结构？
• RQ4 该模型能否基于一个旋转参数对天体物理喷流进行分类？
• RQ5 有限熵流中快磁声速点的行为特征是什么？

主要发现

• 对于慢速旋转体，临界面接近球形；而对于快速旋转体，由于旋转效应，临界面显著扭曲。
• 在有限熵流中，快磁声速点保持位于距离恒星有限距离处，与冷流假设相反。
• 对于固定质量损失率，旋转速率受流体熵的限制，熵越高，允许的旋转速率越大。
• 该模型仅通过旋转速率 $\Omega$、多变常数 $Q$ 和轴向质量-通量比 $\alpha_0$ 即可完全确定风的结构。
• 阿尔芬正则性条件确保流场在阿尔芬面处平滑通过，从而实现一致的解构造。
• 该模型为非自相似，可容纳任意边界条件，显著增强了其天体物理适用性。