Non-linear resonant torus oscillations as a model of Keplerian disc warp dynamics
Non-linear resonant torus oscillations as a model of Keplerian disc warp dynamics
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非线性共振环面振荡作为开普勒圆盘扭曲动力学模型
DOI：
10.1093/mnras/stab2717
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发表时间：
2021
影响因子：
4.8
通讯作者：
Fairbairn C
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Fairbairn C
对扭曲盘的观测强调了扭曲在各种天体物理背景下的普遍性。这已经补充了理论努力，以了解翘曲演化的动力学。尽管在理解翘曲盘的动力学方面做出了巨大的努力，但以前的工作未能解决最普遍的问题——开普勒盘的非线性翘曲，其中轨道、周转和垂直振荡频率之间存在共振。在这项工作中，我们实现了一个新的非线性环模型，由Fairbairn和Ogilvie最近开发，作为理解这种共振翘曲动力学的框架。在这里，我们发现两种不同的非线性制度，因为翘曲幅度增加。最初，我们发现了一个平滑的调制理论，它描述了曲速演化的平均拉格朗日的振荡垂直运动的圆盘。这暗示了在一个广义的世俗框架下连接先前的翘曲理论的可能性。当翘曲振幅超过一个临界值，即我们的环的纵横比的平方根时，圆盘就会进入一个弹跳状态，每个轨道都有两次极端的垂直压缩。我们发展了一个脉冲理论来预测特殊的逆行和进行性变形解，并使用我们的完整方程集进行了数值识别。这样的解决方案强调了盘内非线性垂直振荡的基本激活，并可能对能量和翘曲耗散具有重要意义。未来的工作应该在曲盘内部流动结构的详细数值研究中寻找这种行为。
Observations of distorted discs have highlighted the ubiquity of warps in a variety of astrophysical contexts. This has been complemented by theoretical efforts to understand the dynamics of warp evolution. Despite significant efforts to understand the dynamics of warped discs, previous work fails to address arguably the most prevalent regime – non-linear warps in Keplerian discs for which there is a resonance between the orbital, epicyclic and vertical oscillation frequencies. In this work, we implement a novel non-linear ring model, developed recently by Fairbairn and Ogilvie, as a framework for understanding such resonant warp dynamics. Here, we uncover two distinct non-linear regimes as the warp amplitude is increased. Initially, we find a smooth modulation theory that describes warp evolution in terms of the averaged Lagrangian of the oscillatory vertical motions of the disc. This hints towards the possibility of connecting previous warp theory under a generalized secular framework. Upon the warp amplitude exceeding a critical value, which scales as the square root of the aspect-ratio of our ring, the disc enters into a bouncing regime with extreme vertical compressions twice per orbit. We develop an impulsive theory that predicts special retrograde and prograde precessing warped solutions, which are identified numerically using our full equation set. Such solutions emphasize the essential activation of non-linear vertical oscillations within the disc and may have important implications for energy and warp dissipation. Future work should search for this behaviour in detailed numerical studies of the internal flow structure of warped discs.
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