[論文レビュー] The Sun's acoustic asphericity and magnetic fields in the solar convection zone

H. M. Antia, S. M. Chitre+1 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、GONGおよびMDIデータからのヘルモセイズミック分裂係数を用い、太陽の対流層における回転および磁場の2次効果を分離する。回転による歪みを差し引いた後、偶数分裂係数に残存する信号は、約30,000 kmの深さに約20 kGの磁場があることを示唆しており、対流層の底近くのトロイダル磁場に対しては300 kGの上限が得られているが、熱的非球対称性が代替的説明として排除できない。

ABSTRACT

The observed splittings of solar oscillation frequencies can be employed to separate the effects of internal solar rotation and to estimate the contribution from a large-scale magnetic field or any latitude-dependent thermal perturbation inside the Sun. The surface distortion estimated from the rotation rate in the solar interior is found to be in good agreement with the observed oblateness at solar surface. After subtracting out the estimated contribution from rotation, there is some residual signal in the even splitting coefficients, which may be explained by a magnetic field of approximately 20 kG strength located at a depth of 30000 km below the surface or an equivalent aspherical thermal perturbation. An upper limit of 300 kG is derived for a toroidal field near the base of the convection zone.

研究の動機と目的

• ヘルモセイズミックデータを用いて、回転と磁場が太陽振動周波数分裂に与える寄与を分離すること。
• 太陽の音響的非球対称性を推定し、観測された表面の扁平度と比較すること。
• 回転効果を除去した残差分裂係数から、太陽対流層内の大規模磁場の強さと深さを推定すること。
• 期待される分裂パターンが観測されないことに基づき、対流層の底近くのトロイダル磁場強度の上限を制約すること。
• 磁場とは無関係な熱的摂動が、周波数分裂測定において磁場の痕跡を模倣できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 摂動的ヘルモセイズミックスを用いて、周波数分裂を奇数（回転駆動）および偶数（2次効果）係数に分解する。
• Gough & Thompson (1990)の形式を、非一様な回転および重力ポテンシャルの摂動を含めるように拡張する。
• 方位モード数mにおける直交多項式を分裂係数の表現に用い、奇数項を用いて回転プロファイルを推定する。
• 偶数係数への回転寄与を推定し、観測データから差し引くことで、残差信号を分離する。
• 残差信号を理論的波動伝播摂動モデルと一致させることで、磁場強度を推定する。
• 磁場と熱的非球対称性を区別するため、時間距離ヘルモセイズミックスが補完的手法として提案される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転が太陽の音響的非球対称性に与える寄与は何か。観測された表面の扁平度と比べてどうか。
• RQ2 偶数分裂係数から回転効果を差し引いた後、何が残り、その残差信号を説明できる要因は何か。
• RQ3 対流層内の大規模磁場が、偶数分裂係数の観測された残差を説明できるか。
• RQ4 期待される分裂パターンが観測されないことに基づき、対流層の底近くのトロイダル磁場強度にどの程度の上限を設定できるか。
• RQ5 磁場とは無関係な熱的摂動が、周波数分裂測定において磁場効果をどれほど模倣できるか。

主な発見

• 奇数分裂係数から推定される太陽の回転歪みは、P₂(cosθ)成分において表面の扁平度-5.8×10⁻⁶を生じ、観測された扁平度と良好に一致する。
• 回転寄与を差し引いた後、偶数分裂係数a₂およびa₄に統計的に有意な残差信号が残り、非回転的非球対称性を示している。
• この残差信号は、深さ30,000 km（r ≈ 0.96R☉）に位置する約20 kGの磁場と整合的である。
• 低転送点モードにおける期待される分裂パターンが観測されないことに基づき、対流層の底近くのトロイダル磁場強度の上限は300 kGと導かれた。
• 回転による2次周波数シフトは<10⁻⁴と推定され、通常の逆問題誤差よりも小さく、一般相対性理論的効果によって部分的に相殺されている。
• 回転歪みによる quadrupole moment J₂ = -2.18×10⁻⁷ は、一般相対性理論と整合しており、太陽構造モデルと矛盾しない。