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Launching Jets and Outflows from Magnetized Accretion Disks. Adection, Diffusion, Dynamo.

Stepanovs, Deniss

German Title: Erzeugung von Jets und Outflows in magnetisierten Akkretionsscheiben. Advektion, Diffusion, Dynamo

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Abstract

The results of three-dimensional, axisymmetric, magnetohydrodynamic simulations are presented, investigating the launching of jets and outflows from a magnetically diffusive accretion disk. The time evolution of the disk structure is self--consistently taken into account. In contrast to previous works, spherical coordinates for the numerical grid were applied. The new setup made it possible to run simulations for more than 150,000 dynamical times on a domain extending 1500 inner disk radii with a resolution of up to 24 cells per disk height in the inner disk. This, in fact, is the longest and resolved simulation performed so far.

A novel approach to the analysis of disk-jet system was developed and interrelations between the properties of the jet and the underlying disk were derived. Using this method, it was shown that it is the actual disk magnetization that best describes the disk--jet evolution. The actual disk magnetization at the jet foot point is the main parameter that governs the properties of the jet, namely all jet steady-state MHD integrals. Depending on the disk magnetization, jet launching occurs in two different but complementary regimes - jets driven predominantly by centrifugal or magnetic forces. These regimes differ in the ejection efficiency concerning mass, energy, angular momentum, and all jet integrals.

The self-generation of the magnetic field by a Alpha-Omega mean-field dynamo was also addressed. In this setup, the magnetic flux is continuously generated, diffuses outwards the disk, and fills the entire disk. A magnetic field of the inner disk is similar to open field structure, favoring magneto-centrifugal launching. The outer disk field is highly inclined and predominantly radial. The differential rotation induces a strong toroidal component that plays the key role in the outflow launching. These outflows from the outer disk are slower, denser, and less collimated. A toy--model triggering a time-dependent mean-field dynamo was invented. The general result is that the episodic ejection and large-scale jet knots can be steered by a time-dependent dynamo that regenerates the jet-launching magnetic field.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse von drei-dimensionalen, achsensymmetrischen, magnetohydrodynamischen Simulationen vorgestellt und die Erzeugung von Jets und Ausströmungen einer magnetisch diffusen Akkretionsscheibe untersucht. Hierbei wurde die zeitliche Entwicklung der Scheibenstruktur beachtet. Im Gegensatz zu vorherigen Arbeiten wurden hier Kugelkoordinaten verwendet. Ein neues Setup ermöglicht es Simulationen für einen Zeitraum von mehr als 150.000 dynamische Zeitschritte laufen zu lassen, in einem Bereich welcher über 1500 mal so groß ist wie der Scheibenradius. Für die innere Scheibe beträgt die Auflösung bis zu 24 Zellen pro Scheibenhöhe. Dies ist somit die zeitlich längste als auch räumlich höchst aufgelöste Simulation die jemals durchgeführt wurde.

Für die Analyse von Jets aus Akkretionsscheiben wurde eine neue Methode entwickelt und Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften des Jets und der zugrundeliegenden Akkretionsscheibe konnten abgeleitet werden. Mit dieser Methode konnte gezeigt werden, dass die Scheiben-Jet-Entwicklung am besten durch die Magnetisierung der Scheibe beschrieben werden kann. Die Magnetisierung der Scheibe am Austrittspunkt des Jets ist der Hauptparameter der die Eigenschaften des Jets bestimmt, nämlich alle "steady state" MHD Integrale. In Abhängigkeit von der Scheibenmagnetisierung kann ein Jet auf zwei verschiedene aber dennoch komplementäre Weisen erzeugt werden, und entweder hauptsächlich von Zentrifugalkräften oder Magnetfeldern getrieben werden. Beide Szenarien unterscheiden hinsichtliche der Effizienz der ausgeworfenen Masse, Energie, des Drehimpulses und aller Jet Integrale.

Es wurde ebenfalls ein Dynamo mit einem selbsterzeugenden Alpha-Omega Feld untersucht. In diesem Setup wird der magnetische Fluss kontinuierlich erzeugt, diffundiert nach außen und füllt schließlich die gesamte Scheibe. Das Magnetfeld der inneren Scheibe ist strukturell ähnlich zu offenen Feldlinien, was für eine magnetisch-zentrifugale Erzeugung spricht. Das Magnetfeld der äußeren Scheibe hate eine Schrägstellung und ist hauptsächlich radial. Differentiale Rotation induziert eine große torodiale Komponente, welche die Schlüsselrolle beim Erzeugen von Ausströmungen spielt. Diese "Outflows" der äußeren Scheibe sind langsamer, dichter und nicht sehr stark gebündelt. Es wurde ein Modell entwickelt, welches einen Dynamo mit einem gewöhnlichen zeitabhängigen Feld auslöst. Das Hauptergebnis ist das episodische Auswürfe und großräumige Jet-Knoten durch einen zeitabhängigen Scheibendynamo beeinflusst werden können, welcher das Magnetfeld für die Jet-Erzeugung regeneriert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Fendt, PD Dr. Christian
Date of thesis defense: 10 December 2014
Date Deposited: 18 Dec 2014 07:28
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: jets, accretion disks, outflow, numerical simulations, disk dynamo, MHD
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