星形成過程でのジェットとアウトフローの駆動メカニズム
jetOutflow

360 AU
first corev~5 km/s

protostarv~50 km/s

町田正博, 犬塚修一郎 (京都大学), 松本倫明 (法政大学)

原始星からのアウトフロー、ジェット
星形成領域でタイプの異なる2種類のフロー(アウトフロー、ジェット)が観測
現在までに400以上のフロー ⇒ 星形成過程で普遍的な現象¾アウトフロー：低速 (~10 km/s),¾ジェット：~105 AU, Wide opening angle

高速 (~100 km/s), ~105 AU, Well-collimated structure アウトフロー、ジェット問題と解決へのアプローチ
Schematic view of
特徴(速度、opening angle)の違いは？
Jet and Outflow
アウトフロー
アウトフロー¾ 直接観測は難しい : ドライバーはsmallscale, 濃い分子雲コアに埋まっているdark¾ どのようなメカニズムで駆動するのか？
cloudjetジェット¾ 数値計算が必要 ⇔ 空間7桁、密度20桁の違い (原始星とアウトフロー、ジェット) 駆動メカニズムに関する仮説

原始星

１． アウトフローは、ジェットに引きすられて駆動 (entrainment )盤

2.

― 大多数が支持、原始星周りの計算、仮定が多い(磁場の形、降着率、円盤、etc..)
円ジェット
outflow
アウトフローとジェットは、各々異なるコアから駆動する (first core,protostar)
原始星 この研究では、
HH30, Pety et al. 2006

protostar¾ 磁場の散逸を考慮して、分子雲コア(~104 AU, 104 cm-3)から原始星(~0.001 AU, 1022cm-3)形成を直接計算して、フローの駆動メカニズムを調べた

計算手法
３D Resistive MHD Nested Grid
− 解像度が必要な部分を精度の良いグリッドで覆う−ジーンズ条件を満たすように、新しいグリッドを生成
Grid size: 64 x 64 x 32
(z=0 mirror symmetry)Grid level: Lmax=31 (L: Grid Level)Total grid number: 64 x 64 x 32 x 31
Scale range： L=104 AU – 0.01Rsun,
n=104 cm-3 – 1022 cm-3

同時刻、異なるグリッドスケール
At sameepoch but different spatial scale¾空間: ~10桁¾密度コントラスト: ~20桁

Example of Nested Grid

¾L=31の解像度で全体を覆ったとすると：70億×70億×35億メッシュ(64*2^30)に相当

Schematic view of Nested Grid

L=1
L=2
L=3

L=4

L = 31

Initial Condition

L=4

静水圧平衡にあるガス球

Rotation Axis

 Parameters: 磁場 (α) と回転(ω)の度合い¾α=Bc2/(4πρcs2) :磁気圧とガス圧の比¾ ω=Ω/(4πGρ)1/2 : 角速度(自由落下時間で規格化)
 初期値・数密度：n=104 cm-4 ・温度: T=10 K
・ガス球の大きさ：4.6x104 AU
・質量14 Msun

基礎方程式(Resistive MHD eq.)

Magnetic Field Line

 Critical Bonner-Ebert Sphere+ 回転 + 磁場 + 微小の密度揺らぎ
 磁力線は、回転軸に平行: B//ΩΩ

Bonnor-Ebert SphereB
4.6x104 AU¾ポリトロープ近似: P=P(ρ)
1次元radiative hydro calculationの結果から近似(Masunaga & Inutsuka 2002)¾Resistivity (η): 温度と密度の関数としてモデル化
η = η (ρ, t)(Nakano et al. 2002, Machida et al. 2006)

Result 1: 分子雲コアから原始星形成過程
1st coreformation

AdiabaticPhaseOutflowPhase

2nd collapse
Phase

Protostarformation

JetFormation

L=15

L=17

L=19

L=20

L=21

L=24

z=0 plane
y=0 plane

Final

50 AU

10 AU

nc = 1016 cm-3

nc = 1013 cm-3

Initial

2.5 AU

磁場と中性ガス

Well-coupled

nc = 1018 cm-3

0.5 AU

0.1 AUnc = 1020 cm-3

nc = 1021 cm-3

Magnetic
DissipationWell-coupled
Decoupleｄ

磁場の散逸

Magnetic Field Lines
B field is twisted

1 AU

nc = 1017 cm-3

Dissipation by theOhmic dissipation

B is uncoiled

B increases again

Result 2: ファーストコアからのアウトフロー
ファーストコアの周りのアウトフローの進化¾This animation start after the first core is formed at n~1010 cm-3
Grid level L =12 (Side on view)

Grid level L =12 (Top on view)L = 1 (~104 AU)
L = 12 (360AU)

360 AU

Model for(α, ω)=1, 0.003

360 AUResult 3: Ohmic Dissipationによる磁場の散逸
Grid level L =14 (Side on view)

Magnetic flux against the central density

114 AU

Ideal MHD model

Resistive MHD model

Magnetic flux is largely removed fromthe first core for 1012-1016 cm-3

Evolution of the Magnetic filed at center of the cloud n= ~5x1012 cm-3

:ファーストコアの形成, B field が捻られ始める 1011 cm-3 <n< 1013 cm-3 : B field が強く捻られる, アウトフローが現れる 1013 cm-3 <n< 1016 cm-3 : B Field がOhmic dissipation (Br, Bφ)により散逸する⇒ 磁力線がほどかれる[uncoiled] (Bz が major componentに)
 1016 cm-3 <n< 1020 cm-3 : Second collapse, B Fieldがneutral gasと再びカップル, 磁場が再び増幅
 n>1020 cm-3 : 原始星形成, Br, Bφが再び増幅する

Result 4:原始星からのジェット
原始星の周りのジェットの進化¾This animation start before the protostar is formed
Grid level L =21 (Side on view)

0.35 AUat n~1019 cm-3

Model for(α, ω)=1, 0.3

Grid level L =21 (Top on view)

0.35 AUResult 5: ジェットとアウトフローの進化

Vertical/Radial ~ const

Wide opening angle

ファーストコア周辺の進化
アウトフローは、形を保ったまま自己相似的に広がる, コリメーションは悪い

Vertical/Radial ~ increase

原始星周辺の進化 (ファーストコアの内側)
ジェットは回転軸に沿って広がる, コリメーションは時間と共に良くなる

Well-collimatedstructure議論: ジェットとアウトフローのCollimationの違い
重力に対抗する力(磁場、回転、ガス圧)の強さ
ファーストコアの周り (アウトフロー)
Lorenz ≒ Centrifugal ≒Thermal Pressure (inflow)

原始星の周り (ジェット)Centrifugal ≒ Thermal Pressure >> Lorentz (inflow)
磁気遠心力駆動型

・磁場強い・ファーストコア周辺
・磁力線に沿ったフロー

Strong B

Dominant Mechanism
磁気遠心力駆動⇒ First core, Outflow
磁気圧駆動⇒ Protostar, Jet磁気圧駆動型

・磁場弱い・原始星周辺・回転軸に沿ったフロー
Weak B

Wide Opening Angle

Narrow Opening Angle

Tomisaka (2002)

磁力線の形状¾ アウトフローとジェットは、磁場によってガイド(伝播方向を制限)： outflow wide, jetFirst coreの周辺の磁場
Protostarの周辺の磁場
Br ≒ Bz ≒ BφBz >> Br ≒ Bφ
砂時計型

narrow

まっすぐな磁力線(オーム散逸と磁気テンション)

Outflow

Jet計算結果と速度差
各々のフローの特徴： アウトフローとジェットの特徴を自然に再現出来た!!
DriverSpeedcollimation

Mechanism

Configuration of B

Outflow

First core

Slow

△

Magnetocentrifugal

Hourglass

Jet

Second core(protostar)◎

Magneticpressure

Straight(5 km/s ⇒ 50 km/s)

High(50 km/s ⇒ 500
km/s)¾アウトフロー、ジェットの速度の違いは、第1コアと原始星のKepler Speed(重力ポテンシャル)の違い
9 First core: ~0.01 Msun, 1 AU,

Protostar: ~0.01 Msun, ~1 Rsun

¾各々のコアが1 Msunまで増加したとき、アウトフローとジェットの速度は、10倍増加 (vkepler∝M1/2)
9Outflow: ~5 km/s (0.01 Msun) ⇒ ~50 km/s (1 Msun)
9Jet:

まとめ~50 km/s (0.01 Msun) ⇒ ~500 km/s (1 Msun)¾アウトフローは、jetによってentrainmentされるのではなく、ファーストコアによって駆動する¾アウトフローとジェットの特性の違いは、周辺の磁場の強さ、磁力線の形状、重力ポテンシャルの違いから(or 磁気散逸を経験したかどうか)