[論文レビュー] Stringent limits on the magnetic field strength in the disc of TW Hya: ALMA observations of CN polarisation

W. H. T. Vlemmings, Boy Lankhaar+9 more|Leiden Repository (Leiden University)|Apr 2, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 42被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、TW Hya原始惑星系円盤におけるCN発光の円偏光の最初のALMA観測を報告する。ゼーマン分裂を用いて磁場強度を調べる。優れた機器感度にもかかわらず、顕著な円偏光は検出されず、これまでで最も厳しい上限が得られた：|Bz| < 0.8 mG（1σ）およびBtoroidal < 30 mG。これは一部の降着円盤モデルを除外するが、最近のシミュレーションで示される効率的な磁場輸送と整合的である。

ABSTRACT

Despite their importance in the star formation process, measurements of magnetic field strength in proto-planetary discs remain rare. While linear polarisation of dust and molecular lines can give insight into the magnetic field structure, only observations of the circular polarisation produced by Zeeman splitting provide a direct measurement of magnetic field strenghts. One of the most promising probes of magnetic field strengths is the paramagnetic radical CN. Here we present the first Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) observations of the Zeeman splitting of CN in the disc of TW~Hya. The observations indicate an excellent polarisation performance of ALMA, but fail to detect significant polarisation. An analysis of eight individual CN hyperfine components as well as a stacking analysis of the strongest (non-blended) hyperfine components yields the most stringent limits obtained so far on the magnetic field strength in a proto-planetary disc. We find that the vertical component of the magnetic field $|B_z|&lt;0.8$~mG ($1σ$ limit). We also provide a $1σ$ toroidal field strength limit of $&lt;30$~mG. These limits rule out some of the earlier accretion disc models, but remain consistent with the most recent detailed models with efficient advection. We detect marginal linear polarisation from the dust continuum, but the almost purely toroidal geometry of the polarisation vectors implies that his is due to radiatively aligned grains.

研究の動機と目的

• CN分子線におけるゼーマン効果を用いて原始惑星系円盤内の磁場強度を直接測定すること。
• ALMAが原始惑星系円盤におけるゼーマン分裂に起因する円偏光を検出する性能をテストすること。
• 高感度観測を用いてTW Hyaの円盤における磁場の垂直成分およびトロイダル成分を制約すること。
• 観測された上限が、磁場の輸送と拡산を含む理論的降着円盤モデルと整合的かどうかを評価すること。
• 放射場による粒子の整列が、ダスト連続体からの線形偏光を解釈する上で果たす役割を評価すること。

提案手法

• TW Hyaの円盤を標的として、ALMAでミリ波長帯域で高感度観測を実施し、CN（N=2–1, J=3/2–1/2）のハイパーフィン構造遷移を対象とした。
• 個々のハイパーフィン成分を分析し、信号対雑音比を向上させるために、最も強く、混合されていない成分をスタッキング解析した。
• CNの磁気双極子遷移のゼーマン分裂を用いて、円偏光の振幅から磁場強度を推定した。
• ALMAバンド3、6、7におけるCNのハイパーフィン構造全体のゼーマン分裂を考慮するため、放射輸送モデルを適用した。
• 観測された偏光上限を、原始惑星系円盤内での磁場の輸送と拡散に関する理論モデルと比較した。
• 残存偏光の有無を確認することで、機器システムの性能を評価し、総強度の0.8%未満の感度に達していることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CNゼーマン円偏光を用いた観測により、TW Hya原始惑星系円盤における磁場の垂直成分の上限は何か？
• RQ2 同じ偏光データに基づいて、円盤内のトロイダル磁場成分はどの程度の強さか？
• RQ3 観測された偏光上限は、現在の磁場輸送および拡散を含む原始惑星系円盤モデルと整合的か？
• RQ4 放射場による粒子の整列効果は、ダスト連続体からの観測された線形偏光にどの程度寄与しているか？
• RQ5 ALMAは、CNゼーマン分裂を用いて、1 mG未満の磁場を原始惑星系円盤で検出するのに十分な感度を有するか？

主な発見

• 8つのCNハイパーフィン成分のいずれに対しても顕著な円偏光は検出されず、磁場強度が検出限界以下であることを示している。
• 垂直磁場成分の95%信頼区間上限は|Bz| < 0.8 mGであり、これは原始惑星系円盤におけるBzに対する最もきびしい制約である。
• トロイダル磁場成分の1σ上限は<30 mGであり、効率的な磁場輸送を特徴とするモデルと整合的である。
• 観測された上限は、強い垂直磁場を予測する以前の降着円盤モデル（例：Shu et al. 2007）を除外するが、効率的な輸送およびアンビポーラ拡散を組み込んだモデルと整合的である。
• スタッキング解析により、総強度の0.8%未満の機器由来偏光は確認されず、ALMAが適切な源においてmG未満の感度に達できることを示している。
• ダスト連続体においてわずかな線形偏光が検出されたが、そのトロイダル的な幾何学的形状から、これは磁場に起因するのではなく、放射場によって整列した粒子に起因していると強く示唆される。