[論文レビュー] Ground-state alignment of atoms and ions: New Diagnostics of Astrophysical Magnetic field in diffuse medium

Huirong Yan, A. Lazarian|ArXiv.org|Jun 23, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、希薄な宇宙環境における原子およびイオンの基底状態の配列を用いて、弱い磁場（1 G から 0.1 μG）を新たな診断手法として利用することを提案する。非等方的放射による誘導と磁場による修正を受ける光学および紫外線の吸収・発光線の偏光を活用することで、磁場の3次元的配向をマッピング可能となり、銀河間・銀河内・初期宇宙環境への応用が期待される。

ABSTRACT

We discuss a new technique of studying magnetic fields in diffuse astrophysical media, e.g. interstellar and intergalactic gas/plasma. This technique is based on the angular momentum alignment of atoms and ions in their ground or metastable states. As the life-time of atoms in such states is long, the alignment induced by anisotropic radiation is susceptible to weak magnetic fields ($1{ m G}\gtrsim B\gtrsim0.1μ$G). The alignment reveals itself in terms of the polarization of the absorbed and emitted light. A variety of atoms with fine or hyperfine splitting of the ground or metastable states exhibit the alignment and the resulting polarization degree in some cases exceeds 20%. We show that in the case of absorption the polarization direction is either parallel or perpendicular to magnetic field, while more complex dependencies emerge for the case of emission of aligned atoms. We show that the corresponding studies of magnetic fields can be performed with optical and UV polarimetry. A unique feature of these studies is that they can reveal the 3D orientation of magnetic field. In addition, we point out that the polarization of the radiation arising from the transitions between fine and hyperfine states of the ground level can provide yet another promising diagnostics of magnetic fields, including the magnetic fields in the Early Universe. We mention several cases of interplanetary, circumstellar and interstellar magnetic fields for which the studies of magnetic fields using ground state atomic alignment effect are promising.

研究の動機と目的

• 希薄な星間および銀河間媒体における弱い磁場を検出するための新しい技術の開発。
• 既存の磁場診断法の限界、特に低密度での感度不足や偏光方向の90°の不確実性を克服すること。
• 配列した原子／イオンからの偏光吸収・発光を用いて、磁場の3次元的配向マッピングを可能とすること。
• 宇宙の再電離期やダスト粒子が生存できないようなイオン化環境における磁場の研究へのこの手法の可能性の探求。
• 配列原子のラーモア歳差時間スケールを活用した、磁場ダイナミクスの時間分解能を有するプローブの提供。

提案手法

• 非等方的放射ポンプを用いて、微細構造またはハイパーファイン構造を持つ原子・イオンの基底状態を配列化する。
• 磁場が原子の角運動量を再配列させることで、放出または吸収される放射の偏光状態が変化することを活用する。
• 光学および紫外線スペクトル線における偏光度と偏光方向の測定を通じて、磁場の配向と強度を推定する。
• 吸収線（偏光がBに平行または垂直）と発光線（より複雑な偏光依存性を示す）の両方の応用。
• 異なるメタスタビライゼーション状態の寿命を持つ複数の原子種を用いて、空間スケールにわたるトモグラフィックな磁場マッピングを実現する。
• 特に初期宇宙における磁場研究に適した、配列状態のサブレベルからの崩壊に伴う電波放射を代替診断チャネルとして活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子およびイオンの基底状態における配列は、希薄な宇宙プラズマ中の弱い磁場を感度よく探査可能か？
• RQ2 配列した原子から吸収または発光する光の偏光は、磁場の方向と強度にどのように依存するか？
• RQ3 この手法は、星間および銀河間媒体における磁場の3次元的配向を一意に特定可能か？
• RQ4 配列状態の基底状態からの電波放射を用いた場合、初期宇宙における磁場の研究へのこの手法の可能性は何か？
• RQ5 原子の偏光の時間的変動は、惑星間空間やMHD乱流のような時間変化する磁場を調べるのにも利用可能か？

主な発見

• 基底状態またはメタスタビライゼーション状態に微細構造またはハイパーファイン構造を持つ原子・イオンは、非等方的放射によって配列化可能であり、0.1 μGにまで及ぶ弱い磁場の検出が可能となる。
• 光学および紫外線の吸収線における偏光は、磁場方向に対して平行または垂直であり、磁場の配向を明確に特定可能である。
• 発光では、観測の幾何配置と磁場の関係に応じた偏光パターンが得られ、複雑ではあるが情報豊富な磁場マッピングが可能となる。
• 一部の遷移では偏光度が20%を超えることがあり、低密度環境でも信号が検出可能となる。
• 配列状態の基底状態からのサブレベル崩壊に伴う電波放射は、初期宇宙における磁場研究への有望な手段を提供する。
• 配列原子のラーモア歳差時間スケールを活用することで、惑星間乱流を含む磁場ダイナミクスの時間分解能を有する研究が可能となる。