Origin and symmetry of the observed global magnetic fields in galaxies are
not fully understood.
We intend to clarify the question of the magnetic field origin
and investigate the global action of the magneto-rotational
instability (MRI) in galactic disks with the help of 3D global magneto-hydrodynamical (MHD) simulations.
The calculations were done with the time-stepping ZEUS 3D code using massive parallelization.
The alpha-Omega dynamo is known to be one of the most efficient mechanisms to reproduce the observed global galactic fields.
The presence of strong turbulence
is a pre-requisite for the alpha-Omega dynamo generation
of the regular magnetic fields.
The observed magnitude and spatial distribution of turbulence
in galaxies present unsolved problems to theoreticians.
The MRI is known to be a fast and powerful mechanism to generate MHD turbulence and to amplify magnetic fields.
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We find that
the critical wavelength increases with the increasing of magnetic fields during
the simulation, transporting the energy from critical to larger scales.
The final structure, if not disrupted by supernovae explosions,
is the structure of `thin layers' of thickness of about 100 pcs.
An important outcome of all simulations is the magnitude of the horizontal components
of the Reynolds and Maxwell stresses.
The result is that the MRI-driven turbulence is magnetic-dominated:
its magnetic energy exceeds the kinetic energy by a
factor of 4.
The Reynolds stress is small and less than 1% of the Maxwell stress.
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The angular momentum transport is thus completely dominated by the
magnetic field fluctuations.
The volume-averaged
pitch angle is always negative with a magnitude of about -30.
The non-saturated MRI regime is lasting sufficiently long to fill the time between the
galactic encounters, independently of strength and geometry of the initial field.
Therefore, we may claim the observed pitch angles can be due to MRI action
in the gaseous galactic disks.
The MRI is also shown to be a very fast instability with e-folding time
proportional to the time of one rotation.
Steep rotation curves imply a stronger growth for the magnetic energy due to MRI.
The global e-folding time is from 44 Myr to 100 Myr depending on the rotation profile.
Therefore, MRI can explain the existence of rather large magnetic field in
very young galaxies.
We also have reproduced the observed rms values of velocities
in the interstellar turbulence as it was observed in NGC 1058.
We have shown with the simulations that
the averaged velocity dispersion of about 5 km/s is a typical number for
the MRI-driven turbulence in galaxies, which agrees with observations.
The dispersion increases outside of the disk plane,
whereas supernovae-driven turbulence is
found to be concentrated within the disk.
In our simulations the velocity dispersion increases a few times with the heights.
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An additional support to the
dynamo alpha-effect in the galaxies is the ability of the MRI to produce
a mix of quadrupole and dipole symmetries from the purely vertical seed fields,
so it also solves the seed-fields problem of the galactic dynamo theory.
The interaction of magneto-rotational instability
and random supernovae explosions remains an open question.
It would be desirable
to run the simulation with the supernovae explosions included.
They would disrupt the calm ring structure produced by global MRI,
may be even to the level
when we can no longer blame MRI to be responsible for the turbulence. / Die Beobachtung polarisierter Synchrotronstrahlung mit modernen Radioteleskopen zeigen die Existenz von großskaligen Magnetfeldern in Galaxien. Mit den ständig verbesserten Beobachtungsinstrumenten findet man Magnetfelder in immer mehr Galaxien, so dass man annehmen kann, Magnetfelder treten mehr oder weniger in allen Galaxien auf. Selbst in sehr jungen Galaxien (damit weit entfernten) wurden schon Magnetfelder von einigen mikroG gefunden.<br>
Eine mögliche Erklärung für die Entstehung der Magnetfeldern ist die Wirkung eines turbulenten Dynamos. Neben Supernova-Explosionen können magnetische Instabilitäten eine Quelle für die Turbulenz im interstellaren Medium sein. So werden Galaxien bei Anwesenheit eines schwachen Magnetfeldes auf Grund der "Magneto-Rotations-Instabilität" (MRI) turbulent. Die globale Entwicklung des interstellaren Gases in Galaxien unter Wirkung der MRI ist in der vorliegenden Arbeit betrachtet worden.<br>
Mit drei-dimensionalen numerischen Simulationen auf großen Clusterrechnern wurde die zeitliche Entwicklung des Geschwindigkeitsfeldes und der Magnetfelder untersucht. Für die extrem rechenintensiven globalen Modelle wurde ein hochgradig parallelisierbares Rechenprogramm zur Lösung der MHD-Gleichungen an die Problemstellung angepasst, in der Rechenzeit optimiert und ausführlich getestet. <br>
Es konnte erstmalig die zeitliche Entwicklung des interstellaren Gases unter dem Einfluss eines schwachen Magnetfeldes über mehrere Milliarden Jahre verfolgt werden. In der galaktischen Scheibe entwickelt sich Turbulenz mit einer Geschwindigkeitsdispersion von einigen km/s und großskalige Magnetfelder von einigen mikroG, genau wie in realen Galaxien beobachtet. Damit konnte der Nachweis erbracht werden, dass das interstellare Gas durch Wirkung der MRI auch bei geringer Sternaktivität Turbulenz entwickelt, wie es in einigen ruhigen Galaxien auch beobachtet wird.<br>
Ein anderes wichtiges Resultat ist die Entstehung großskaliger Magnetfelder aus kleinskaligen Strukturen in der Art eines turbulenten Dynamos. Die Wachstumsrate der magnetischen Energie geht bei diesem Prozess mit der Umlaufzeit, schnell genug um auch Magnetfelder mit einigen mikroG in sehr jungen Galaxien zu erreichen.<br>
Die Entstehung von Magnetfeldern aus der MRI löst auch die bisher ungeklärte Frage nach der Geometrie der Saatfelder für turbulente Dynamos.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:530 |
| Date | January 2005 |
| Creators | Dziourkevitch, Natalia |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Physik und Astronomie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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