[論文レビュー] Magnetic fields in non-convective regions of stars

Jonathan Braithwaite, H. C. Spruit|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、星の安定Stratified（非対流的）領域における磁場をレビューし、A型、B型、O型星における化石磁場と、対流圏における微分回転駆動型ダイナモに焦点を当てる。磁場、特に化石磁場が、観測された表面磁場および内部の角運動量輸送を説明できることを主張しており、太陽系外惑星の振動学的観測と数値シミュレーションが重要な制約を与えるが、磁場拡散とコア-エンベロープ相互作用は未解決の課題のまま残っている。

ABSTRACT

We review the current state of knowledge of magnetic fields inside stars, concentrating on recent developments concerning magnetic fields in stably stratified (zones of) stars, leaving out convective dynamo theories and observations of convective envelopes. We include the observational properties of A, B and O-type main-sequence stars, which have radiative envelopes, and the fossil field model which is normally invoked to explain the strong fields sometimes seen in these stars. Observations seem to show that Ap-type stable fields are excluded in stars with convective envelopes. Most stars contain both radiative and convective zones, and there are potentially important effects arising from the interaction of magnetic fields at the boundaries between them. Related to this, we discuss whether the Sun could harbour a magnetic field in its core. Recent developments regarding the various convective and radiative layers near the surfaces of early-type stars and their observational effects are examined. We look at possible dynamo mechanisms that run on differential rotation rather than convection. Finally we turn to neutron stars with a discussion of the possible origins for their magnetic fields.

研究の動機と目的

• 安定Stratifiedな星内部における磁場の役割、特にA型、B型、O型星の対流圏における磁場の役割を評価すること。
• Ap/Bp星における強い安定した表面磁場を説明する化石磁場仮説の妥当性を評価すること。
• 非対流的領域における磁場が角運動量輸送および元素混合に与える影響を調査すること。
• 化石磁場とは対照的に、微分回転駆動型ダイナモが対流圏で自己持続的磁場を生成する可能性を検討すること。
• 太陽型星における内部磁場および回転プロファイルの観測的制約、特に星振動学的観測と分光偏光法を検討すること。

提案手法

• KeplerおよびCoRoTの星振動学的観測と分光偏光法による観測データを統合し、内部磁場および回転構造を推定すること。
• 安定Stratifiedな星内部における磁気流体力学（MHD）平衡状態と安定性に関する理論的モデルを適用すること。
• 数値MHDシミュレーションを用いて、対流圏における微分回転駆動型ダイナモの妥当性を検討すること。
• マクスウェル応力が角運動量輸送に果たす役割を、流体力学的メカニズムと比較して分析すること。
• 磁気ヘリシティ保存則と抵抗率による拡散時間スケールを用いて、化石磁場の生存可能性を評価すること。
• 対流エンベロープによる磁場シールド効果が、太陽型星の内部磁場を隠している可能性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 A型、B型、O型星の対流エンベロープで、強い安定した磁場を維持するメカニズムは何か？
• RQ2 対流コアやエンベロープを持つ星において、化石磁場はどのように生存し、その観測された強度と幾何学的形状はどのような要因によって決定されるのか？
• RQ3 対流が存在しない条件下で、対流圏における微分回転が自己持続的磁場ダイナモを駆動できる程度はどの程度か？
• RQ4 なぜ星振動学的観測では、流体力学的モデルだけでは予測できないほど強いコア-エンベロープ結合が観測されるのか？
• RQ5 磁場拡散および対流圏との相互作用が、内部磁場の減衰または進化に果たす役割は何か？

主な発見

• Ap型星における化石磁場は、約200 Gの最小磁場強度が観測されており、まだ完全に理解されていない形成機構を示唆している。
• 観測結果は、対流エンベロープを持つAp型星に安定した表面磁場が存在しないことを示しており、対流が化石磁場の形成を妨げたり破壊したりしている可能性を示している。
• ABO星における磁場強度の分布は、オーム抵抗率のみによる予測よりも短い磁場減衰時間スケールを示しており、コア-エンベロープ相互作用に起因する拡散の増幅が可能性として示唆されている。
• KeplerおよびCoRoTの星振動学的データは、流体力学的モデルが説明できないほど強いコア-エンベロープ結合を示しており、磁気的応力が角運動量輸送の主な要因である可能性が高い。
• 対流圏における微分回転駆動型MHDダイナモは、角運動量輸送の有効な候補であるが、現在のところ観測結果と著しく乖離している。
• 太陽の対流圏内部の磁場は、対流エンベロープによって表面から遮蔽されている可能性があるが、磁気拡散による機械的結合のおかげで、エンベロープの回転に影響を受けて進化している。