[論文レビュー] Discovery of weak magnetic fields in four DZ white dwarfs in the local 20pc volume. Implications for the frequency of magnetic fields with cooling age

S. Bagnulo, J. D. Landstreet|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 35被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、高感度分光偏光法を用いて、局所20 pc圏内の4つのDZ白色矮星で弱い磁場の発見を報告している。この結果、この圏内におけるヘリウム豊富なDZ白色矮星の少なくとも40％が磁場を有していることが示唆された。これらの発見は、より古い、冷却した白色矮星において磁場の頻度が高まることを示唆し、明るさおよび分解能に制限を受ける従来の調査によるバイアスに反するものであり、金属線が特徴のないスペクトルにおいて磁場検出を可能にする役割を果たしていることを強調している。

ABSTRACT

We report the discovery of weak magnetic fields in three white dwarfs within the local 20pc volume (WD 0816-310, WD 1009-184, and WD 1532+129), and we confirm the magnetic nature of a fourth star (WD 2138-332) in which we had previously detected a field at a 3 sigma level. The spectra of all these white dwarfs are characterised by the presence of metal lines and lack of H and He lines, that is, they belong to the spectral class DZ. The polarisation signal of the Ca II H+K lines of WD 1009-184 is particularly spectacular, with an amplitude of 20% that is due to the presence of a magnetic field with an average line-of-sight component of 40kG. We have thus established that at least 40% of the known DZ white dwarfs with an He-rich atmosphere contained in the 20pc volume have a magnetic field, while further observations are needed to establish whether the remaining DZ white dwarfs in the same volume are magnetic or not. Metal lines in the spectra of DZ white dwarfs are thought to have originated by accretion from rocky debris, and it might be argued that a link exists between metal accretion and higher occurrence of magnetism. However, we are not able to distinguish whether the magnetic field and the presence of a polluted atmosphere have a common origin, or if it is the presence of metal lines that allows us to detect a higher frequency of magnetic fields in cool white dwarfs, which would otherwise have featureless spectra. We argue that the new highly sensitive longitudinal field measurements that we have made in recent years are consistent with the idea that the magnetic field appears more frequently in older than in younger white dwarfs.

研究の動機と目的

• 局所20 pc圏内におけるDZ白色矮星の磁場真正の頻度を、観測バイアスが最小限である領域で特定すること。
• 明るさや分光分解能に制限を受ける低感度・低分解能分光法では、冷却した白色矮星における弱い磁場を検出できないという限界を克服すること。
• 冷却年齢とともに磁場頻度が増加するという仮説を検証すること、特にヘリウム豊富で金属汚染された大気を有するDZ星において。
• 金属線の存在が磁場検出を容易にするのか、あるいは物質降着と磁場生成との間に物理的関連性があるのかを評価すること。
• 体積制限付きで分光偏光観測を用いて、統計的にバイアスのない白色矮星の磁場サンプルを確立すること。

提案手法

• 20 pc圏内のDZ白色矮星に対して高感度の円偏光分光偏光法を実施し、横方向および縦方向の磁場を検出した。
• スペクトルのCa ii H+K線を分析し、磁場存在を示す偏光信号に注目した。
• 非常に大型望遠鏡（VLT）のFORS2を用いて、高信噪比で低分解能の分光偏光データを取得した。
• 数十kGの磁場に対しても感度が高い分光偏光技術を適用し、標準分光法では検出できない分野の検出を可能にした。
• 明るさ、スペクトル型、分解能に起因する磁場検出バイアスを評価するために、従来の調査結果と比較した。
• 偏光振幅と視線方向成分の計算を通じて、縦方向磁場強度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明るさや分光分解能のバイアスに左右されない、局所20 pc圏内におけるDZ白色矮星の磁場真正の頻度は何か？
• RQ2 過去の間接的証拠が示唆するように、DZ白色矮星の磁場は冷却年齢が増加するにつれて頻度が高まるのか？
• RQ3 金属線の存在がDZ星における磁場検出を容易にするのか、あるいは物質降着と磁場生成との間に物理的関連性があるのか？
• RQ4 ゼーマン分裂が検出不能なほど弱く特徴のない冷却白色矮星のスペクトルにおいて、分光偏光法は弱い磁場を検出可能か？
• RQ5 DAやDZなどの他の白色矮星スペクトル型と比較して、DZ星における磁場頻度はどの程度か？

主な発見

• WD 0816−310、WD 1009−184、WD 1532+129、WD 2138−332 の4つのDZ白色矮星が、分光偏光法により磁場を有することが確認された。
• WD 1009−184はCa ii H+K線で20％の偏光振幅を示し、40 kGの縦方向磁場を示している。これは、この手法の高い感度を示している。
• 20 pc圏内におけるヘリウム豊富な大気を有するDZ白色矮星の少なくとも40％が磁場を有しており、他のスペクトル型と比較して頻度が高まっている可能性を示唆している。
• 冷却した金属汚染星に弱い磁場が検出されたことは、標準分光法では検出できない磁場を明らかにするために分光偏光法が不可欠であることを示している。
• 観測された傾向は、冷却年齢とともに磁場頻度が増加するという仮説を支持しており、若い白色矮星は多いが磁場を有する頻度は低いという事実と整合する。
• 結果から、磁場はDZ星においてこれまで考えられていたよりも一般的である可能性があり、その多くは偏光技術を用いなければ検出できないと示唆されている。