[論文レビュー] Magnetic Fields and the Polarization of Astrophysical Maser Radiation: A Review

W. D. Watson|ArXiv.org|Nov 10, 2008

Astronomical Observations and Instrumentation被引用数 3

ひとこと要約

このレビューでは、磁場が天体メーザー放射の偏光に与える影響を検討し、GKK (1973) ような古典的モデルの限界、SiOメーザーにおける磁場の推定に Zeeman 分裂を信頼できる手段として用いることの妥当性、および星形成領域におけるOHメーザー線スペクトルにπ成分が存在しない理由を検討する。Zeeman 分裂は通常、他の遷移率よりも著しく大きいことから、標準的な放射線輸送法が適用可能であるが、GKK の弱分裂数値は過剰に飽和を仮定しているため、実際の天体メーザーには適用できない。π成分の欠如は、磁場線に沿った伝搬を促進する異方性 MHD テューブレンスが原因であり、この条件下ではσ成分が支配的になる。

ABSTRACT

Basic aspects of the relationship between the magnetic field and polarized maser radiation are described with the emphasis on interpreting the observed spectra. Special attention is given to three issues--the limitations on the applicability of the classic solutions of Goldreich, Keeley & Kwan (1973), inferring the strength of the magnetic field from the circular polarization when the Zeeman splitting is much less than the spectral linebreadth (especially for SiO masers), and the significance of the absence of components of the Zeeman triplet in the spectra of OH masers in regions of star formation.

研究の動機と目的

• 天体環境における観測されたメーザー偏光を解釈するための古典的理論モデル（特に GKK (1973)）の妥当性を評価すること。
• Zeeman 分裂とポンピングの異方性に関する不確実性を考慮すると、SiOメーザーにおける円偏光が約 10 G の磁場を信頼して示しているかどうかを評価すること。
• 星形成領域における OH メーザーの Zeeman トリプレットにπ成分が一貫して存在しない理由を、特に速度勾配および磁場勾配の文脈で説明すること。
• MHD テューブレンスがメーザー増幅の幾何学的特性および偏光特性に与える影響を調査し、特にσ成分がπ成分を上回る傾向を強調すること。
• 非一様磁場、速度勾配、および異方性ポンピングを含む理論モデルと観測されたメーザー線幅を一致させること。

提案手法

• Zeeman 分裂 (gΩ) が励起放出および損失率 (R, Γ) より著しく大きいという仮定に基づく放射線輸送理論を用いる。この条件下では、磁気準位が「良い量子状態」となる。
• gΩ ≫ R, Γ の条件下で標準的な放射線輸送方程式を適用し、GKK が用いた複雑な密度行列形式を回避する。
• MHD テューブレンスのシミュレーションを用いて、特に OH メーザーの領域における速度勾配および磁場勾配をモデル化する。
• π成分とσ成分の相対的光学的厚さが磁場線に対する伝搬方向に依存し、磁場線に沿ってはσ成分が優勢になるように分析する。
• GKK が考慮していないSiOメーザーにおける異方性ポンピングの役割を評価し、円偏光に与える影響を検討する。
• 理論的予測と観測スペクトルを比較し、特にOHメーザーにおいて単一のσ成分が支配的でπ成分が欠落している点に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ GKK (1973) の弱分裂数値は、実際の天体メーザーに対して定量的に適用できないのか？
• RQ2 Zeeman 効果の弱分製数値領域における制限を考慮すると、SiOメーザーで観測される円偏光が、約 10 G の磁場を信頼して示していると見なせるのか？
• RQ3 星形成領域における OH メーザーの Zeeman トリプレットに一貫してπ成分が存在しないのを説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ4 MHD テューブレンスは、メーザー増幅の異方性および観測された偏光特性にどのように影響を与えるのか？
• RQ5 視線方向の速度勾配および磁場勾配は、OH メーザー線スペクトルにおいて単一のσ成分が支配的であるのをどの程度説明できるのか？

主な発見

• 天体メーザーにおける Zeeman 分裂は、通常、励起放出率および損失率 (gΩ ≫ R, Γ) よりも著しく大きい。このため、密度行列形式を用いる代わりに標準的な放射線輸送方程式が適用可能である。
• GKK (1973) が弱分裂数値領域で得た線形偏光度の分数に関する結果は、実際のメーザーでは観測された飽和度よりもはるかに高いと仮定しているため、定量的に適用できない。
• SiOメーザーの円偏光は、GKK フレームワークが未考慮の異方性ポンピングおよび弱分製数値領域の制限を考慮すると、まだ Zeeman 効果によるものと信頼して特定できない。
• OH メーザーの Zeeman トリプレットにπ成分が存在しないのは、磁場線に沿った伝搬を促進する異方性 MHD テューブレンスによるものであり、この条件下ではσ成分が支配的になる。
• MHD テューブレンスのシミュレーションから、Alfvén速度と音速の比が少なくとも 3 以上である必要があることが判明し、これにより観測されたσ成分の優勢性およびπ成分の抑制が再現可能である。
• 速度勾配および磁場勾配を伴うメーザーでは、線幅が狭くなる現象は、磁場強度に応じてZeeman成分周波数が補償される理論モデルと整合的であり、狭い線幅を維持する。