[論文レビュー] Stellar Evolution with Rotation and Magnetic Fields IV: The Solar Rotation Profile

P. Eggenberger, A. Maeder+1 more|ArXiv.org|Aug 22, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 17被引用数 115

ひとこと要約

本稿では、太陽の放射層内部における磁場駆動のTayler–Spruitダイナモが、太陽のほぼ剛体回転プロファイルを説明すると提案している。赤道方向循環（差動回転を強化する）と磁気結合（均一な回転を強制する）のバランスをとることで、0.2〜0.7 R⊙の範囲でほぼ一定の角速度が得られ、ヘルモセイスミック観測と非常に良好に一致する。

ABSTRACT

We examine the generation of a magnetic field in a solar-like star and its effects on the internal distribution of the angular velocity. We suggest that the evolution of a rotating star with magnetic fields leads to an equilibrium value of the differential rotation. This equilibrium is determined by the magnetic coupling, which favours a constant rotation profile, and meridional circulation which tends to build differential rotation. The global equilibrium stage is close to solid body rotation between about 0.7 and 0.2 R_sun, in good agreement with helioseismic measurements.

研究の動機と目的

• 標準的な回転モデルの予測とは矛盾する、太陽の放射層内部における観測されたほぼ一定の角速度を説明すること。
• Tayler–Spruitダイナモによって生成される磁場が、剛体回転を強制するのに十分な内部結合を提供できるかどうかを調査すること。
• 回転および乱流拡散メカニズムと比較して、磁場が角運動量輸送に果たす役割を評価すること。
• 太陽のようなゆっくり回転する星において、磁気ダイナモ機構が効率的に機能するかどうかを特定すること。
• モデルの予測を、GOLF+MDIおよびLOWL機器による太陽の回転プロファイルのヘルモセイスミック測定と比較すること。

提案手法

• Tayler–Spruit不安定性に基づく一貫したダイナモ方程式を定式化し、アルヴェン周波数とブリュント＝ヴァイサーラ周波数を組み込む。
• 回転効果とSpruitダイナモ機構による磁場生成を組み込んだ星の進化コードを実装する。
• 磁場の拡散係数 ν を用いて、角運動量の鉛直輸送をモデル化し、差動回転を抑制する。
• 臨界安定性の制約を適用：l < r·ω_A/N および l² > ηΩ/ω_A² により、磁気不安定性の成長率と空間スケールを決定する。
• 平衡条件 ω_A/Ω = q·Ω/N を解き、q = -∂lnΩ/∂lnr として、磁気結合と赤道方向循環のバランスを導出する。
• GOLF+MDIおよびLOWLのヘルモセイスミックデータと比較するため、初期表面速度を 20 および 50 km s⁻¹ としてモデル出力を生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Tayler–Spruitダイナモは、ヘルモセイスミック観測によって観測された太陽の放射層内部における平坦な回転プロファイルを説明できるか？
• RQ2 磁場を含めた場合、回転および乱流拡散のみのモデルと比較して、内部の角速度分布はどのように変化するか？
• RQ3 太陽様星における角運動量輸送において、磁気拡散（ν）とせん断乱流混合（D_shear）の相対的な重要性は何か？
• RQ4 差動回転が弱い太陽のようなゆっくり回転する星において、磁気ダイナモ機構は依然として効果的か？
• RQ5 磁気モデルは、0.2–0.7 R⊙の範囲で観測された角速度プロファイルをどの程度再現できるか？

主な発見

• 回転と磁場の両方を含むモデルは、0.2〜0.7 R⊙の放射層内部でほぼ一定の角速度を生成し、ヘルモセイスミック測定と一致する。
• 磁気拡散係数 ν が角運動量輸送を支配し、非常に大きな値を示し、ほぼ剛体回転を強制する。
• 方位角方向の磁場成分 B_φ は数×10² G に達し、強い磁気結合を生成するのに十分である。
• せん断乱流混合係数 D_shear は、非磁気モデルと比較して約4桁小さくなり、回転混合が弱まっていることが示される。
• 比 η/K は非常に小さく、ダイナモ方程式を導出する際に用いた簡略化が妥当であることを裏付けている。
• 初期表面速度が 20 および 50 km s⁻¹ のモデルは、内部回転プロファイルが非常に類似しており、50 km s⁻¹ の場合に僅かに速いコアが見られるのみである。