[论文解读] Proper motions of radiative knots in simulations of stellar jets - An alternative to pulsating inflow conditions

F. Rubini, S. Lorusso+2 more|ArXiv.org|Jul 30, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 34被引用 4

一句话总结

该论文提出，星风喷流中的辐射结核及其观测到的自行运动，可通过喷流与随时间变化的包层之间的压力梯度驱动的内部斜冲击波（IOS）自然形成，而无需假设脉动流入条件。模拟结果显示，结核沿下游运动时速度增加、亮度减弱，与观测到的赫比格-哈罗天体特征高度一致。

ABSTRACT

Elongated jets from young stellar objects typically present a nodular structure, formed by a chain of bright knots of enhanced emission with individual proper motions. Though it is generally accepted that internal shocks play an important role in the formation and dynamics of such structures, their precise origin and the mechanisms behind the observed proper motions is still a matter of debate. Our goal is to study numerically the origin, dynamics, and emission properties of such knots. Axisymmetric simulations are performed with a shock-capturing code for gas dynamics, allowing for molecular, atomic, and ionized hydrogen in non-equilibrium concentrations subject to ionization/recombination processes. Radiative losses in SII lines are computed, and the resulting synthetic emission maps are compared with observations. We show that a pattern of regularly spaced internal oblique shocks, characterized by individual proper motions, is generated by the pressure gradient between the propagating jet and the time variable external cocoon. In the case of under-expanded, light jets the resulting emission knots are found to move downstream with the jet flow, with increasing velocity and decaying brightness toward the leading bow shock. This suggests that the basic properties of the knots observed in stellar jets can be reproduced even without invoking ad hoc pulsating conditions at the jet inlet, though an interplay between the two scenarios is certainly possible.

研究动机与目标

• 在不假设脉动流入条件的前提下，研究星风喷流中结核状结构的起源。
• 确定内部斜冲击波（IOS）是否能自然产生赫比格-哈罗天体中观测到的自行运动和辐射分布模式。
• 评估时变喷流-包层相互作用在塑造结核形态和运动学中的作用。
• 评估稳定流入条件是否能生成具有真实动力学特性的传播性、辐射发光结核。
• 探讨轴对称模型的潜在局限性，并强调三维模拟在匹配观测数据中的必要性。

提出的方法

• 对欠膨胀、轻质喷流进行轴对称、激波捕捉的流体动力学模拟，采用H、He和H2的非平衡电离/复合模型。
• 使用详细的冷却函数计算[S II]线的辐射冷却，并生成合成发射图。
• 将喷流建模为来自喷嘴的时变流动，允许动态再聚焦和包层形成。
• 追踪由喷流与外部包层之间压力梯度引发的内部斜冲击波（IOS）的演化。
• 将合成发射图和运动学与哈勃空间望远镜对HH天体的观测进行比较。
• 分析结核自行运动、亮度分布以及结核内间距随距源距离的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在稳定流入条件下，无需脉动，能否形成具有观测自行运动的辐射结核？
• RQ2 何种物理机制导致了星风喷流中结核的下游加速和亮度衰减？
• RQ3 内部斜冲击波（IOS）在轴对称喷流模拟中如何贡献于结核的形成和运动学？
• RQ4 模拟结核的形态和运动学在多大程度上与赫比格-哈罗天体的观测相匹配？
• RQ5 时变外部包层在塑造结核动力学和辐射特性方面起什么作用？

主要发现

• 由于喷流与随时间变化的包层之间的压力梯度，自然形成了规则间距的内部斜冲击波（IOS），而无需脉动流入条件。
• 模拟喷流中的结核沿喷流轴线向下游运动，速度沿轴线增加，在重启喷流情景中可达局部流速的40%。
• 合成发射图再现了结核亮度随距源距离增加而减弱的观测趋势，与HH天体中观察到的衰减一致。
• 结核内间距主要受压力比（Π）和喷嘴半径（r_jet）控制，合理取值使尺度与观测一致。
• 弓形激波以约喷流注入速度一半的速度传播（200 km s⁻¹），与HH 46/47及类似天体中的观测值一致。
• 结果表明，IOS可解释观测结核的关键特征，但需借助三维模拟以解决发射率分布和再聚焦效应方面的差异。