Astrophysical Jets as Hypersonic Buckshot: Laboratory Experiments and Simulations

Resumen

Herbig-Haro (HH) jets are commonly thought of as homogeneous beams of plasma traveling at hypersonic velocities. Structure within jet beams is often attributed to periodic or ``pulsed'' variations of conditions at the jet source. In this contribution we offer an alternative to ``pulsed'' models of protostellar jets. Using direct numerical simulations and laboratory experiments we explore the possibility that jets are chains of sub-radial clumps propagating through a moving inter-clump medium. Our simulations explore an idealization of this scenario by injecting small (r < r_{jet}), dense (rho > rho_{jet}) spheres embedded in an otherwise smooth inter-clump jet flow. The spheres are initialized with velocities differing from the jet velocity by ∼ 15%. We find the consequences of shifting from homogeneous to heterogeneous flows are significant as clumps interact with each other and with the inter-clump medium in a variety of ways. We also present new experiments that, for the first time, directly address issues of magnetized astrophysical jets. Our experiments explore the propagation and stability of super-magnetosonic, radiatively cooled, and magnetically dominated bubbles with internal, narrow jets. The results are scalable to astrophysical environments via the similarity of dimensionless numbers controlling the dynamics in both settings. These experiments show the jets are subject to kink mode instabilities which quickly fragment the jet into narrow chains of hypersonic knots, providing support for the ``clumpy jet'' paradigm.

Los jets Herbig-Haro (HH) normalmente son interpretados como haces homogéneos de plasma viajando a velocidades hipersónicas. Las estructuras en los jets frecuentemente son atribuidas a variaciones periódicas o “pulsadas” en las condiciones de eyección. En esta contribución ofrecemos una alternativa a los modelos “pulsados” de jets protoestelares. Usando simulaciones numéricas directas y experimentos de laboratorio exploramos la posibilidad que los jets sean cadenas de nudos sub-radiales que se propagan en un medio inter- nudo. Nuestras simulaciones exploran una idealización de esta situación, inyectando esferas pequeñas (r < rjet) y densas (ρ > ρjet) embebidas en un flujo homogéneo. Las esferas están inicializadas con velocidades que difieren por ∼15% del flujo inter-nudo. Encontramos que el cambio de un flujo homogéneo a uno heterogéneo tiene consecuencias significativas, dado que los nudos densos interactúan entre ellos y con el medio inter-nudo de maneras diversas. También presentamos nuevos experimentos que, por primera vez, simulan aspectos de jets astrofísicos magnetizados. Nuestros experimentos exploran la propagación y la estabilidad de burbujas con jets internos super-magnetosónicos, radiativos y magnéticamente dominados. Los resultados son escalables a medios astrofísicos como resultado de la similaridad de los parámetros adimensionales que controlan los flujos en los dos ambientes. Estos experimentos muestran que los jets están sujetos a inestabilidades helicoidales que rápidamente fragmentan al jet para formar finas cadenas de nudos hipersónicos, proveyendo un posible fundamento para el modelo de “jet heterogéneo”.