Investigating transfer processes in accretion disks with a creative cylindrical shearing box model

• Project/Area Number: 23K22534
• Project/Area Number (Other): 22H01263 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 鈴木 建 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (80431782)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2026: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2025: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2024: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2023: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2022: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
• Keywords: 磁気流体力学 / 降着円盤 / 乱流 / 円盤風 / 原始惑星系円盤 / 磁気駆動円盤風 / 角運動量 / 磁場 / 突発現象

Outline of Research at the Start

研究目的を達成するために、まず、磁気乱流の強度が、圧力スケール高(H) と動径位置R の比H/R と垂直磁場強度(Bz) にどのように依存するかを明らかにし、特にこれまでの局所デカルト近似による高解像度計算では扱えなかった円盤の円み(曲率) の効果の影響を定量的に理解する。
そしてさらに、円盤の厚みの効果を取り入れることにより円盤風を扱えるように円柱シアリング箱の手法を拡張し、磁気駆動円盤風による質量および角運動量の抜き取りと質量降着の関係を定量的に理解する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、降着円盤系の小さなスケールの現象を解像しつつ大局的な効果を組み入れるための新しい数値実験のための実用的枠組み「円柱シアリング箱」モデルを改良拡張し、降着円盤での磁気乱流、円盤風の質量流束、円盤風による角運動量抜き取りと質量降着の4者の間の関係を、第一原理的な計算により定量的に明らかにすることである。
2022年度は、申請者の最初の取り組みであるSuzuki et al.(2019)では考慮できてなかった、動径方向両端境界での振幅のミスマッチの影響を考慮する境界条件設定の修正を行った。そして改良した境界条件を数値シミュレーションコードへと実装し、円盤の厚みを考慮しない局所降着円盤の磁気流体数値シミュレーションに取り組んだ。我々の円柱シアリング箱モデルでは、回転系の典型的周波数であるエピサイクル振動数の空間依存性を正しく取り扱うことができるため、従来のデカルトシアリング箱近似では見ることができなかった物理現象を直接観察し解析できることが、大きな長所である。該当年度の研究では、円盤内に密度の濃淡構造が形成され、その帰結の1つとして、磁場が局所的に寄せ集められる領域が分布することが分かった。そしてこれら強磁場領域はでは、磁気的な爆発現象が間欠的に引き起こされることを明らかにした。
以上の成果は英文査読誌に出版済(Suzuki 2023)であり、2023年にはドイツで開催された原始星周囲に形成される円盤の磁気流体現象の国際会議で招待講演も行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

初年度は翌年度への繰越を行ったが、その範囲内で上述した境界条件の改良と査読論文の発表までを行うことができた。翌年度の繰越を鑑みると「やや遅れている」と判断すべきであるが、その後鉛直方向の成層化を考慮した数値シミュレーションコードの構築(次項参照)には順調につなげているというのが現状である。以上を総合的に判断して、「順調に進展している」とした。

Strategy for Future Research Activity

円盤の厚みの効果を取り扱うために、これまでに取り組んできた動径方向の密度や圧力の勾配に加え、鉛直方向の重力による成層化を考慮できるように数値実験コードを改良する。駆動された円盤風の外向き流を安定に扱うために、計算領域上下面境界では流れ出し境界条件を実装する。上空の上下面境界付近では密度が低いため、アルフベン速度が非常に大きくなる。 このため、CFL条件による制約から、数値計算を長時間行うことが困難となる。この問題を回避するため、ガス圧に比べ磁気圧が大きな場所のアルフベン速度に制限を掛けるボリス修正法もコードに実装する。これらの2つ項目のコード改変の数値テストを2024度内に完了させる。
2025年度以降は、鉛直方向の成層化を考慮した降着円盤数値実験を遂行し、特に磁気駆動円盤風が降着円盤のエネルギー輸送と角運動量抜き取りに担う役割を定量的に吟味する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] アリゾナ州立大学/NASA エイムス研究所/Smith college, Northampton, MA(米国)
• [Int'l Joint Research] パリ天文台(フランス)
• [Int'l Joint Research] ライプニッツ宇宙物理学研究所(ポツダム)(ドイツ)
• [Journal Article] Collisional Growth and Fragmentation of Dust Aggregates. II. Mass Distribution of Icy Fragments (2023)
  • Author(s): Hasegawa Yukihiko、Suzuki Takeru K.、Tanaka Hidekazu、Kobayashi Hiroshi、Wada Koji
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 944 Issue: 1 Pages: 38-38
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acadda
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transition of latitudinal differential rotation as a possible cause of weakened magnetic braking of solar-type stars (2023)
  • Author(s): Tokuno Takato、Suzuki Takeru K、Shoda Munehito
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 520 Issue: 1 Pages: 418-436
  • DOI: 10.1093/mnras/stad103
• [Journal Article] Coronal Loops with Different Metallicities and Generalized RTV Scaling Laws (2023)
  • Author(s): Washinoue Haruka、Suzuki Takeru K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 953 Issue: 1 Pages: 74-74
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ace106
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] MHD in a Cylindrical Shearing Box. II. Intermittent Bursts and Substructures in MRI Turbulence (2023)
  • Author(s): Suzuki Takeru K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 957 Issue: 2 Pages: 99-99
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acfb88
• [Journal Article] The Role of Disk Winds in the Evolution and Dispersal of Protoplanetary Disks (2023)
  • Author(s): Pascucci, I., Cabrit, S., Edwards, S., Gorti, U., Gressel, O., Suzuki, T. K.
  • Journal Title: Protostars and Planets VII, ASP Conference Series, Proceedings of a conference, Kyoto, Japan. Edit. S. Inutsuka, Y. Aikawa, T. Muto, K. Tomida, and M. Tamura Volume: 534 Pages: 567-603
• [Journal Article] Role of Longitudinal Waves in Alfv?n-wave-driven Solar Wind (2022)
  • Author(s): Shimizu Kimihiko、Shoda Munehito、Suzuki Takeru K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 931 Issue: 1 Pages: 37-37
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac66d7
• [Journal Article] The Effect of the Chromospheric Temperature on Coronal Heating (2022)
  • Author(s): Washinoue Haruka、Shoda Munehito、Suzuki Takeru K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 938 Issue: 2 Pages: 126-126
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac91c8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Three-dimensional Simulations of Magnetospheric Accretion in a T Tauri Star: Accretion and Wind Structures Just Around the Star (2022)
  • Author(s): Takasao Shinsuke、Tomida Kengo、Iwasaki Kazunari、Suzuki Takeru K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 941 Issue: 1 Pages: 73-73
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac9eb1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] MHD in a cylindrical shearing box: Intermittent bursts & substructures in MRI turbulence (2023)
  • Author(s): Suzuki, Takeru K.
  • Organizer: Magnetohydrodynamical flows in young circumstellar disks, Ringberg castle, Germany
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 研究室web
  • URL: https://ea.c.u-tokyo.ac.jp/astro/Members/stakeru/index.html