[论文解读] The galactic dynamo effect due to Parker-shearing instability of magnetic flux tubes. I. General formalism and the linear approximation

M. Hanasz, H. Lesch|ArXiv.org|Oct 22, 1996

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文提出了一种由不同旋转星系盘中磁通量管的帕克剪切不稳定性驱动的星系发电机机制，结合了宇宙射线和密度波。通过薄通量管形式化和线性稳定性分析，证明了在弱磁场中宇宙射线存在时存在强烈的$α$-效应，螺旋臂中发电机作用增强，以及非臂区磁场对齐——这些结果与近期对星系磁场的观测一致。

ABSTRACT

In this paper we investigate the idea of Hanasz & Lesch 1993 that the galactic dynamo effect is due to the Parker instability of magnetic flux tubes. In addition to the former approach, we take into account more general physical conditions in this paper, by incorporating cosmic rays and differential forces due to the axisymmetric differential rotation and the density waves as well. We present the theory of slender magnetic flux tube dynamics in the thin flux tube approximation and the Lagrange description. This is the application of the formalism obtained for solar magnetic flux tubes by Spruit (1981), to the galactic conditions. We perform a linear stability analysis for the Parker-shearing instability of magnetic flux tubes in galactic discs and then calculate the dynamo coefficients. We present a number of new effects which are very essential for cosmological and contemporary evolution of galactic magnetic fields. First of all we demonstrate that a very strong dynamo $α$-effect is possible in the limit of weak magnetic fields in presence of cosmic rays. Second, we show that the differential force resulting from axisymmetric differential rotation and the linear density waves causes that the $α$-effect is essentially magnified in galactic arms and switched off in the interarm regions. Moreover, we predict a non-uniform magnetic field in spiral arms and well aligned one in interarm regions. These properties are well confirmed by recent observational results by Beck & Hoernes (1996)

研究动机与目标

• 将帕克不稳定性机制扩展至解释真实星系条件下星系发电机作用。
• 将宇宙射线和较差自转与密度波纳入磁通量管动力学模型。
• 通过磁通量管在星系盘中的线性稳定性分析推导发电机系数。
• 预测螺旋臂与非臂区之间空间变化的磁场结构。
• 使理论预测与星系磁场观测数据相一致。

提出的方法

• 将Spruit（1981）的太阳磁通量管形式化应用于星系尺度的薄磁通量管，采用拉格朗日描述法。
• 应用薄磁通量管近似，模拟轴对称、较差自转星系盘中的磁通量管。
• 将宇宙射线压力以及较差自转和线性密度波产生的力纳入动量方程。
• 进行线性稳定性分析，识别帕克剪切不稳定性为发电机作用的驱动力。
• 从不稳定性增长率和磁通量管动力学计算发电机$α$-效应。
• 利用该形式化方法预测螺旋臂与非臂区之间磁场强度和对齐的空间变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁通量管的帕克剪切不稳定性是否能在星系盘中产生显著的发电机$α$-效应？
• RQ2 宇宙射线如何影响星系发电机中$α$-效应的强度和空间分布？
• RQ3 较差自转和密度波在调节螺旋臂与非臂区发电机作用方面发挥何种作用？
• RQ4 该模型是否预测螺旋臂中磁场结构不均匀，而非臂区磁场对齐？
• RQ5 理论预测与近期星系磁场观测数据的吻合程度如何？

主要发现

• 当包含宇宙射线时，在弱磁场极限下出现强烈的发电机$α$-效应，显著增强磁场放大作用。
• 由于较差自转和密度波的共同作用，$α$-效应在螺旋臂中显著增强，而在非臂区则被抑制。
• 该模型预测螺旋臂中磁场结构不均匀，与Beck & Hoernes（1996）的观测证据一致。
• 在非臂区，磁场变得高度对齐，与观测到的磁场形态相符。
• 由大尺度流调制的$α$-效应空间调制解释了星臂与非臂区磁场特性之间的观测对比。
• 该理论框架通过磁通量管不稳定性与宇宙射线耦合，成功解释了星系磁场的大尺度组织结构。