[論文レビュー] The Multipolar Magnetic Fields Of Accreting Pre-Main-Sequence Stars: B At The Inner Disk, B Along The Accretion Flow, And B At The Accretion Shock

S. G. Gregory, J.‐F. Donati+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2016

Astro and Planetary Science被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、特に双極子＋八極子配置の多極磁場が、降着する準主系列星を支配しており、ディスクの遮断、降着コラムの磁場、衝撃波の強度に顕著な影響を及ぼすことを示している。弱い双極子成分であっても、降着スポットにおける磁場強度は約6 kGに達するため、ディスク遮断半径を過大評価し、衝撃波磁場を過小評価する双極子のみのモデルは誤りであることが示された。

ABSTRACT

Zeeman-Doppler imaging studies have revealed the complexity of the large-scale magnetic fields of accreting pre-main-sequence stars. All have multipolar magnetic fields with the octupole component being the dominant field mode for many of the stars studied thusfar. Young accreting stars with fully convective interiors often feature simple axisymmetric magnetic fields with dipole components of order a kilo-Gauss (at least those of mass $\gtrsim0.5\,{ m M}_\odot$), while those with substantially radiative interiors host more complex non-axisymmetric magnetic fields with dipole components of order a few 0.1 kilo-Gauss. Here, via several simple examples, we demonstrate that i). in most cases, the dipole component alone can be used to estimate the disk truncation radius (but little else); ii) due the presence of higher order magnetic field components, the field strength in the accretion spots is far in excess of that expected if a pure dipole magnetic field is assumed. (Fields of $\sim$6$\,{ m kG}$ have been measured in accretion spots.); iii) if such high field strengths are taken to be representative of the polar strength of a dipole magnetic field, the disk truncation radius would be overestimated. The effects of multipolar magnetic fields must be considered in both models of accretion flow and of accretion shocks.

研究の動機と目的

• 降着する準主系列星を双極子磁場のみで正確に記述できるという一般的な仮定に挑戦すること。
• 特に八極子成分を含む高次磁気モーメントが、ディスク遮断半径の推定に与える影響を定量化すること。
• 観測された降着スポットにおける高磁場強度（約6 kG）が、双極子のみのモデルでは説明できないことを示すこと。
• 衝撃波磁場強度を推定するために双極子成分を使うと、顕著な過小評価が生じることを示すこと。
• 磁気圏降着および衝撃波物理学のモデルに多極磁場を組み込むべきであることを提唱すること。

提案手法

• 星の磁場を、回転軸に平行な双極子と八極子成分の重ね合わせとしてモデル化する。
• 磁場線に沿った磁場強度と幾何学的構造の解析的表現を用い、内側ディスク、降着コラム、降着衝撃波におけるBを計算する。
• 力自由磁気圏モデルを用いて、双極子成分のみを用いてディスク遮断半径（Rt）を推定し、全多極磁場予測と比較する。
• 磁場トポロジーが降着流の幾何学的形状に与える影響を評価する。特に、双極子の磁場線形状からの逸脱と、ホットスポットにおける磁場集中の増大を含む。
• 高衝撃波磁場測定値を双極子成分に誤って帰属させた場合の結果を評価する。特に、Rtの過大評価と、降着コラムにおけるBの過小評価が生じることを示す。
• 降着するPMS星のゼーマン＝ドーブル・イメージング（ZDI）マップ（例：V2129 Oph、TW Hya）からの観測的制約を、磁場成分の強度と配置に活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多極磁場を有する降着する準主系列星において、双極子成分のみでディスク遮断半径を正確に推定できるか、その程度はいかほどか？
• RQ2 高次磁気モーメント（例：八極子）は、純粋な双極子と比較して、降着コラムに沿う磁場強度と幾何学的形状にどのように歪めを及ぼすか？
• RQ3 双極子成分が数100 G程度であるにもかかわらず、観測された降着スポット磁場がなぜ約6 kGに達するのか？
• RQ4 真の磁場が多極的であるにもかかわらず、双極子磁場を仮定した場合、特に降着衝撃波物理学のモデル化にどのような影響が生じるか？
• RQ5 多極磁場は、降着ホットスポットの位置とサイズにどのように影響を与え、星の変光および角運動量移動にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 双極子成分のみでディスク遮断半径（Rt）を推定できる場合が多いが、これは高次成分が距離とともに急速に減衰するためである。
• 降着コラムに沿った磁場強度は、多極寄与のため、双極子予測とは顕著に異なる。特に星の表面付近で顕著である。
• 双極子成分が数100 G程度であっても、高次成分による磁場集中のおかげで、降着衝撃波磁場は数kG（例：約6 kG）に達する。
• 観測された高衝撃波磁場強度をもとに双極子成分を推定すると、双極子のみのモデルを仮定した場合、ディスク遮断半径が過大評価される。
• 双極子磁場を仮定すると、実際の衝撃波における磁場強度が顕著に過小評価され、標準的な双極子ベースの降着モデルは無効化される。
• 特に八極子支配の多極磁場は、降着をより小さな、より高温のスポットへと集中させ、衝撃前密度と温度を上昇させ、双極子支配系と比較して角運動量移動を1桁程度減少させる。