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Magnetohydrodynamic instabilities of astrophysical jets

Bocchi, Matteo

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Abstract

The remarkable stability of astrophysical jets is not yet fully understood and requires further investigation. In order to study the effects of an antiparallel magnetic field topology on the linear stage and nonlinear evolution of the Kelvin Helmholtz (KH) instability, we performed direct numerical simulations to solve the ideal magnetohydrodynamic equations in a variety of initial configurations. Single shear layers presented growth rates of the instability higher than in the uniform (parallel) case, and a typical oscillation wave vector Ka 0.4. Vortical motions were observed for Alfv´en Mach numbers Ma > 2. The presence of tearing type magnetic islands, driven by the KH instability, reduced the magnetic field enhancement around the perimeter of the KH vortices proper of the KH instability and, subsequently, reduced the value of the magnetic saturation energy as compared to the uniform field case. The extended domain simulations showed an inverse cascade to bigger scales, more turbulent than in the uniform case. The lower magnetic amplification, due to the islands, moved the threshold for three-dimensional (3D) reorganization to a laminar flow from Ma . 50 (uniform) to Ma . 20 (antiparallel). Two-dimensional (2D) spatial slab-jet simulations showed episodic disruption and revival of the flow due to a magnetic field amplification process, previously believed to be present only in subsonic flows. This result, retrieved also in 3D simulations, is the same for uniform and antiparallel magnetic fields.

Translation of abstract (German)

Die bemerkenswerte Stabilit¨at, die in astrophysikalischen Jets beobachtet wird, ist noch nicht endg¨ultig verstanden und bedarf weiterer Erforschung. Um die Auswirkungen einer antiparallelen Magnetfeldtopologie auf die lineare Phase sowie die nicht-lineare Entwicklung der Kelvin-Helmholtz-Instabilit¨at zu untersuchen, haben wir direkte numerische Simulationen durchgef¨uhrt, die die Gleichungen der idealen Magnetohydrodynamik f¨ur verschiedene Anfangsbedingungen l¨osen. In einzelnen Scherfl¨achen zeigte die Instabilit¨at h¨ohere Wachstumsraten als im homogenen (parallelen) Fall und eine Oszillation mit einem typischen Wellenvektor Ka 0.4. Wirbelartige Strukturen wurden f¨ur Alfv´en-Machzahlen Ma > 2 beobachtet. Das Vorhandensein von isolierten magnetischen Inseln, die durch die KH-Instabilit¨at entstehen, behindert die Verst¨arkung der Magnetfelder im Umkreis der KH-Wirbel und dadurch auch die magnetische S¨attigungsenergie verglichenmit dem homogenen Fall. Die Simulationen mit gr¨oßeremIntegrationsbereich zeigten eine inverse Energiekaskade zu gr¨oßeren Strukturen, die turbulenter sind als im homogenen Fall. Die niedrigere magnetische Verst¨arkung wegen der isolierten Inseln verringerten den Schwelle f¨ur die drei-dimensionale (3D) Reorganisation zu einem laminaren Fluss von Ma . 50 (homogen) zu Ma . 20 (antiparallel). Zwei-dimensionale (2D) Großsimulationen des Jet-Querschnittes zeigten episodische Unterbrechungen und Wiederherstellung des Flusses durch einen magnetischen Verst¨arkungsprozess, dessen Existenz vorher nur in subsonischen Fl¨ussen angenommen wurde. Diese Ergebnis ist f¨ur homogene und antiparallele Magnetfelder g¨ultig, was durch 3D-Simulationen best¨atigt wurde.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Camenzind, Prof. Dr. Max
Date of thesis defense: 27 May 2009
Date Deposited: 06 Jul 2009 10:50
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > ZAH: Landessternwarte
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Astronomie, Jet <Astronomie>, Magnetohydrodynamik, Instabilität, Kelvin-Helmholtz-Instabilität, Computersimulation, Astrophysik
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