[論文レビュー] Stellar magnetosphere reconstruction from radio data. Multi-frequency VLA observations and 3D-simulations of CU Virginis

P. Leto, C. Trigilio+3 more|ArXiv.org|Oct 13, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 20被引用数 25

ひとこと要約

本研究は、複数周波数のVLA電波観測と3次元磁気圏モデルを用いて、磁気的化学的に特異な星であるCU Virginisの3次元磁気圏を再構築した。電波放射が、アルヴェン半径を超えた電流シート内での加速電子によるギロシンクロトロン放射に起因することを確認した。これにより、硬い電子スペクトル（E⁻²）、加速効率約10⁻³、質量損失率約10⁻¹² M☉ yr⁻¹が得られ、内側磁気圏に冷たく密度の高いトーラスと検出可能なX線放射が予測された。

ABSTRACT

In order to fully understand the physical processes in the magnetospheres of the Magnetic Chemically Peculiar stars, we performed multi-frequency radio observations of CU Virginis. The radio emission of this kind of stars arises from the interaction between energetic electrons and magnetic field. The radio data were acquired with the VLA and cover the whole rotational period of CU Virginis. For each observed frequency the radio light curves of the total flux density and fraction of circular polarization were fitted using a three-dimensional MCP magnetospheric model simulating the stellar radio emission as a function of the magnetospheric physical parameters. The observations show a clear correlation between the radio emission and the orientation of the magnetosphere of this oblique rotator. Radio emission is explained as the result of the acceleration of the wind particles in the current sheets just beyond the Alfvén radius, that eventually return toward the star following the magnetic field and emitting radiation by gyrosyncrotron mechanism. The accelerated electrons have a hard energetic spectrum ($N(E)\propto E^{-2}$) and the acceleration process has an efficiency of about $10^{-3}$. The Alfvén radius we determined is in the range of $12-17 R_\ast$ and, for a dipolar field of 3000 Gauss at the magnetic pole of the star, we determine a mass loss from the star of about $10^{-12}$ M$_{\sun}$ yr$^{-1}$. In the inner magnetosphere a detectable X-ray emission is expected.

研究の動機と目的

• 複数周波数の電波観測を通じて、磁気的化学的に特異な星（MCP星）の磁気圏における物理的過程を理解すること。
• 電流シート内での電子加速とギロシンクロトロン放射を含む、MCP星からの電波放射の物理的状況を検証すること。
• アルヴェン半径、質量損失率、プラズマ温度など、直接観測できない定量的パラメータを電波データから導出すること。
• 内側磁気圏の構造と物理的状態、特に冷たく密度の高いトーラスの存在を制約すること。
• 内側磁気圏に閉じ込められた熱プラズマからの予測可能なX線放射を提示すること。

提案手法

• CU Virginisの完全な自転周期をカバーする5、8.4、15 GHzの複数周波数VLA観測を行い、全強度（ストークスI）と右旋回・左旋回偏光（ストークスV）を測定した。
• 電子エネルギー分布と磁場の幾何学的配置を含む磁気圏パラメータの関数として電波放射をシミュレートする3次元磁気圏モデルの適用。
• アルヴェン半径を超えた電流シート内での電子加速を含むモデルを用いて、観測された輝度関数と偏光曲線のフィッティング。
• 15 GHzにおける光学的厚さ基準を満たすために、観測された15 GHzの輝度関数スケールを再現する冷たく密度の高いトーラス成分を組み込み。
• 3次元立方格子モデルを用いて、内側磁気圏における熱的ブレムストラールング放射係数と統合X線放射（0.1–10 keV）を計算。
• アルヴェン半径と風速の変動に対するX線放射予測の感度分析を行い、ChandraおよびXMMによる検出可能性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CU Virginisにおける周期的電波放射変調の原因は何か。また、星の自転と磁気圏幾何学的構造とはどのように関係しているか。
• RQ2 特にアルヴェン半径付近の内側領域における磁気圏プラズマの物理的状態（電子エネルギースペクトル、温度、密度）は何か。
• RQ3 冷たく密度の高いトーラスの存在は、特に高周波数帯での観測された電波輝度関数にどのように影響を与えるか。
• RQ4 内側磁気圏に閉じ込められた熱プラズマからの予測されるX線放射は何か。また、現在のX線望遠鏡で検出可能か。
• RQ5 CU Virginisの質量損失率は何か。また、MCP星の理論的予想と比較するとどうなるか。

主な発見

• 観測された電波光曲線と偏光のフィッティングに基づき、CU Virginisのアルヴェン半径は12–17 R∗に制限された。
• CU Virginisの質量損失率は約10⁻¹² M☉ yr⁻¹と推定され、この星に対しては以前に測定されたことがない値である。
• アルヴェン半径を超えた電流シート内の電子は、E⁻²に比例する硬いエネルギースペクトルを示し、効率的な加速（効率約10⁻³）を示している。
• 15 GHzの輝度関数曲線を再現するためには、冷たく密度の高いプラズマトーラスが必要であり、その物理的状態（T ~ 10⁴–10⁵ K、n ~ 10⁸–10⁹ cm⁻³）は15 GHzで光学的厚さ>1を満たすと整合的である。
• 内側磁気圏における熱電子の温度は10⁵–10⁶ Kに達し、熱的ブレムストラールング放射によって検出可能なX線放射を発生させる。
• X線放射予測では、ChandraおよびXMMが数十キロ秒の露出時間で内側磁気圏からの放射を検出可能であるが、ROSATの限界は十分でない。