[論文レビュー] Discovery of Radio Emission from the Brown Dwarf LP944-20

E. Berger, Sarah Ball+13 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2001

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、非常に大規模電波望遠鏡（VLA）を用いて、褐色矮星LP944-20からの持続的で変動する電波放射の初回検出を報告している。ピークfluxは2 mJy、定常状態では約100 μJyであり、非熱的シンチロトロン放射の特徴を示しており、約5 Gの磁場にさらされた相対論的電子を示唆している。また、既存のX線–電波放射率関係と比較して数個のオーダーも乖離しており、この対象における特異な磁気活動を示唆している。

ABSTRACT

Brown dwarfs are classified as objects which are not massive enough to sustain nuclear fusion of hydrogen, and are distinguished from planets by their ability to burn deuterium. Old (>10 Myr) brown dwarfs are expected to possess short-lived magnetic fields and, since they no longer generate energy from collapse and accretion, weak radio and X-ray emitting coronae. Several efforts have been undertaken in the past to detect chromospheric activity from the brown dwarf LP944-20 at X-ray and optical wavelengths, but only recently an X-ray flare from this object was detected. Here we report on the discovery of quiescent and flaring radio emission from this source, which represents the first detection of persistent radio emission from a brown dwarf, with luminosities that are several orders of magnitude larger than predicted from an empirical relation between the X-ray and radio luminosities of many stellar types. We show in the context of synchrotron emission, that LP944-20 possesses an unusually weak magnetic field in comparison to active dwarf M stars, which might explain the null results from previous optical and X-ray observations of this source, and the deviation from the empirical relations.

研究の動機と目的

• チャンドラ宇宙望遠鏡によるX線フレア検出に続く、褐色矮星LP944-20からの電波放射の存在を調査すること。
• 電波放射が定常状態かフレア状態かを特定し、そのスペクトル的・時間的性質を特徴づけること。
• Guedel–BenzのX線–電波放射率関係が褐色矮星の磁気活動の文脈で有効であるかどうかを検証すること。
• シンチロトロン理論と等分配仮定を用いて、放射領域の物理的条件（磁場強度、電子密度、エネルギー分布）を推定すること。
• 観測された放射が、既知の恒星的または惑星的磁気放射メカニズムと整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• 4.9 GHzおよび8.5 GHzで、LP944-20のX線位置を非常に深く電波観測した。観測は非常に大規模電波望遠鏡（VLA）を用いて実施された。
• 短時間積分からの光度曲線を分析し、変動を検出し、定常状態の放射とフレアを特定した。
• 2000年8月30.40 UTの同時観測を用いて、4.9 GHzと8.5 GHz間のスペクトル指数を決定した。その結果、α ≈ 2.1 ± 0.3が得られた。
• シンチロトロン理論と等分配仮定を用いて、磁場強度（B ≈ 5 G）、電子密度（ne ≈ 6×10⁵ cm⁻³）、全電子数（Ne ≈ 2×10³⁵）を推定した。
• 放射温度（Tb ≈ 2×10⁸ K（定常時）、4×10⁹ K（フレア時））を計算し、非熱的でシンチロトロン起源であることを確認した。
• 円偏光度（fcirc ≈ 0.3 ± 0.1）を用いて、最小電子ローレンツ因子（γmin ≈ 10）を推定し、シンチロトロン放射モデルと整合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 褐色矮星LP944-20からの持続的で変動する電波放射は検出可能か？
• RQ2 LP944-20の電波放射率は、恒星で観測された経験的X線–電波放射率関係（Guedel–Benz関係）と比較してどうなるか？
• RQ3 観測された電波放射を最もよく説明する物理的メカニズムは、特定のシンチロトロン放射か、コherent放射か？
• RQ4 LP944-20のフレア領域における磁場強度、電子密度、エネルギー分布は何か？
• RQ5 なぜLP944-20の電波放射は、M型矮星や太陽で観測された既存のX線–電波放射率スケーリング関係を逸脱しているのか？

主な発見

• LP944-20の定常状態電波フラックス密度は100 ± 35 μJyであり、誤検出の確率が2×10⁻⁴にとどまることから、持続的放射が確認された。
• ピーク電波フレアフラックスは8.5 GHzで2 mJyに達し、1回のフレアあたりの全エネルギー放出は約2–8×10²⁶ ergにのぼり、太陽で観測された最も強いフレアを上回る。
• 4.9 GHzと8.5 GHz間のスペクトル指数2.1 ± 0.3は、4.9 GHzで光学的厚さの状態であり、スペクトルピークが8.5 GHz付近にあることを示唆しており、フレアエネルギーの大部分がこの周波数帯で放出されていると考えられる。
• 0.3 ± 0.1の円偏光度は、最小電子ローレンツ因子γmin ≈ 10を示しており、シンチロトロン放射理論と整合している。
• シンチロトロン理論と等分配仮定の両方から、磁場強度はB ≈ 5 Gと推定され、放射体積はV ≈ 4×10²⁹ cm³であった。
• 放射領域は、75 μasの角度半径の薄皮膜に一致しており、源の物理的サイズ（60 μas）よりもわずかに大きい。これは、局所的で高エネルギーな放射プロセスを支持する。