若い星への降着に関する標準理論の再考高棹 真介 (名古屋大学)
共同研究者：
鈴木 建（東京大学）、富田 賢吾、岩﨑 一成（大阪大学）

原始星・前主系列星への降着
分子雲コア ̶ 重力収縮 ̶> 原始星

原始星誕生後 ~5万年まで追ったシミュレーション
Tomida+ 2017

原始星

星周円盤

原始星や前主系列星は星周円盤から質量・角運動量を受け取り成長
̶> 降着過程が若い星の進化を決める

原始星・前主系列星への降着強い星磁場が降着構造を決定？

Tomida+ 2017

NASA/JPL-Caltech

Xray image 2 - 10 keV(コントア：C18Oの柱密度)

原始星フレアTsuboi et al. 2000

太陽フレアに似てるが遥かに巨大原始星 (秒~分) << システムの進化時間
̶> 星近傍は直接解かずに穴を開け、原始星近傍をモデルに置き換えて時間刻みを伸ばす（シンク）(e.g. Machida & Hosokawa 13)星周りの磁場が決める降着構造やダイナミクスは星に持ち込む熱量や角運動量を変え、星の進化に影響を与える可能性

本研究：
降着構造や星近傍のダイナミクスを理解するために3次元磁気流体シミュレーションを実行

1. 前主系列星の降着構造
2. 原始星フレア

これまでの降着構造の標準的理解
赤道面からの穏やかな降着降着衝撃波を伴う磁気圏降着

磁力線

Ghosh & Lamb 79, Königl 91

色：密度、線：磁力線

Romanova+12

Romanova+12

通説：
観測から脱出速度程度の高速降着・降着衝撃波の兆候= 星は強い磁場をもっており磁気圏降着が実現しているはず問題点：磁気圏がない時も高速降着
赤道面からの穏やかな降着

前主系列星に対する降着速度の観測
Cauley & Johns-Krull 2014

磁力線

色：密度、線：磁力線

降着速度 [km/s]

Red : 古典的Tタウリ型星
Blue: 中質量の前主系列星(Herbig Ae/Be)

Romanova+12

脱出速度 [km/s]➤ 磁場が非常に弱く磁気圏がない星 (Herbig Ae/Be) でも高速降着がよく観測➤ 過去の理論・シミュレーションでは説明できていない

磁気圏がない場合の降着を再検討
Herbig Ae/Be等のような弱い磁場しかなく磁気圏がない星近傍（~0.7 au）を3次元磁気流体シミュレーションで考察

密度分布・磁力線構造

大気：力学平衡な自己相似解＋ポロイダル磁場
中心星
弱く磁化した円盤：星近傍で ~10 G

これからお見せする範囲(< 0.1 au)

・理想磁気流体方程式 + 放射冷却・Athena++ (Stone, Tomida, White in prep)
・物理的な計算時間 : ~ 0.2 yr
for Herbig Ae of 3 Msun, 2.5 Rsun
星表面を可能な限り物理的にモデル化、（降着ガスの取り込み・恒星風など）
数値的困難の多くを克服

降着構造
密度速度の動径方向成分

恒星風
0.07au
高速降着星

星速度の単位降着構造
速度の動径方向成分

速度の単位

星表面で測った降着速度V̲kep = 480km/s

恒星風

高速降着星~50 days

磁気圏がないにも関わらず、高緯度への高速降着が発生

ファンネル降着 + 赤道降着という新しいモード
Takasao, Tomida, Iwasaki & Suzuki 18

ケプラー速度に近い、ファンネル (漏斗) 状の降着流

ファンネル降着

赤道降着

磁気回転不安定性で乱流化した円盤

ファンネル降着はどこから来たか？
MRI乱流駆動の円盤風
ケプラー速度に近い、（速度 << 脱出速度）

色 ：脱出速度で規格化した Vrad
矢印：速度の向き

ファンネル(漏斗)& 状の降着流
e.g. Suzuki
Inutsuka 09

恒星風星

磁気回転不安定性で乱流化した円盤

円盤外側：外向きの円盤風
円盤内側：円盤風が外側への脱出に失敗し、星に落下
ファンネル降着 = 脱出に失敗した、円盤内側からの円盤風

なぜ星磁場が弱くても高速降着が可能か？
大雑把な答え磁気圏降着

赤道面の高密度ガスが減速
̶> 強い星磁場が必要

この比が O(1) のとき
ケプラー速度程度の降着が実現。
分母はガス密度に依存
ファンネル降着

円盤風の供給する低密度ガスが減速
̶> 円盤磁場で十分減速が可能

なぜ星磁場が弱くても高速降着が可能か？
大雑把な答えこの比が O(1) のときケプラー速度程度の降着が実現。
分母はガス密度に依存
ファンネル降着O(1)<latexit sha1_base64="nGKdQZtxgjeIZ4Y4UpIzbEGenuU=">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</latexit>

円盤風の供給する低密度ガスが減速
̶> 円盤磁場で十分減速が可能

1. 前主系列星の降着構造
2. 原始星フレア

Chandra X-ray movie of Orion

殆どの原始星は強い変動 X 線源(Imanishi+01, Getman+07, Prisinzano+08, Pillitteri+10)

Chandra X-ray movie of Orion

殆どの原始星は強い変動 X 線源(Imanishi+01, Getman+07, Prisinzano+08, Pillitteri+10)原始星フレア: 1034 -1037 erg (in X-ray)
太陽フレアの 100-10,000 倍以上！

5-10 keV のX線を放つ ̶> 磁場起源

原始星の半径 ~ 2Rsun

フレアは原始星より大きい
̶> 大スケールにどうやってエネルギーを蓄え、解放するのか？

原始星フレアの標準モデル：磁気圏モデル
円盤の回転エネルギーで磁場を増幅

磁気リコネクション

Hayashi, Shibata, Matsumoto 96 (see also Hirose+97, Goodson+99, Montmerle+00)

しかし、原始星は降着率が高いせいで磁気圏は潰れてしまっている可能性が高い(磁気圏を作るには古典的Tタウリ型星の環境くらい円盤密度を2桁以上下げる必要)

どうやってフレアは起きるのか？ ̶> ３次元シミュレーション

3次元シミュレーションの設定
前主系列段階のケースよりも強い磁場をもつ円盤を想定。
先ほどと同様に、星の磁気圏は仮定しない。

密度分布・磁力線構造

原始星プラズマ β = 100 @ 赤道面
これからお見せする範囲(< 0.1 au)

原始星：0.5 Msun, 2 Rsun
物理時間: ~ 0.4 yr激しい磁気エネルギー解放を伴う降着
星近傍の磁気エネルギーの総量(r < 5 Rstar)~1038 erg

~150 days

十分なエネルギーを持つ爆発が繰り返し発生

高温プラズマの噴出（フレア）降着流による磁場の引き込み
エネルギー蓄積は、降着による星への磁場の溜め込み星の持つ磁束量(平均磁場強度 ~ 1 kG)

降着流による中心天体への磁束輸送（BH disk のシミュレーションでよく見られているプロセス）

See also Matsumoto +96,

~50 days after the start

Beckwith+09, Zhu & Stone 18

エネルギー解放は？

磁場の気持ちを考えてみる
磁力線

磁場の気持ちを考えてみる
磁力線

磁気圧勾配力エネルギーを下げるために膨張磁場の気持ちを考えてみる
磁力線が星にアンカーされていて、足元が動けない場合を考える。
磁場の行きつきたい構造はエネルギーの低いダイポール磁場
磁力線

星

磁気リコネクションによって磁場は外に逃げ、さらにループも作るフレアの発生
磁気リコネクションによる高温ジェット星から抜けた磁力線
BH disk でも似た過程：Komissarov 05, McKinney+12磁束の抜き取り ̶> 磁気リコネクション ̶> 巨大フレア

まとめ
標準的理解では磁気圏がないと高速な降着はないはず。
<̶> 観測と矛盾。なぜか？

円盤風起源の高速降着流Takasao+18 ApJ

原始星フレアの標準モデルは磁束の蓄積・抜き取りの磁気圏を必要とする。
結果、原始星フレアを発生
しかし磁気圏はないかも・・・
どうやってフレアを起こす？