[논문 리뷰] Discovery of weak magnetic fields in four DZ white dwarfs in the local 20pc volume. Implications for the frequency of magnetic fields with cooling age

S. Bagnulo, J. D. Landstreet|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 22.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 35인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고감도 스펙트로폴라미터리를 사용하여 국부 20 pc 부피 내의 네 개의 DZ 백색왜성에서 약한 자기장을 발견하였으며, 이 부피 내 헬륨 빈도가 높은 DZ 백색왜성 중 적어도 40퍼센트 이상이 자기장을 지닌다는 것을 드러냈다. 이러한 결과는 더 오래되고 더 차가운 백색왜성에서 자기장 빈도가 더 높다는 것을 시사하며, 이는 이전의 등급 및 해상도 제한이 있는 조사에서의 편향을 뒤엎고, 금속선이 특징이 없는 스펙트럼에서 자기장을 탐지하는 데 기여하는 역할을 한다는 것을 강조한다.

ABSTRACT

We report the discovery of weak magnetic fields in three white dwarfs within the local 20pc volume (WD 0816-310, WD 1009-184, and WD 1532+129), and we confirm the magnetic nature of a fourth star (WD 2138-332) in which we had previously detected a field at a 3 sigma level. The spectra of all these white dwarfs are characterised by the presence of metal lines and lack of H and He lines, that is, they belong to the spectral class DZ. The polarisation signal of the Ca II H+K lines of WD 1009-184 is particularly spectacular, with an amplitude of 20% that is due to the presence of a magnetic field with an average line-of-sight component of 40kG. We have thus established that at least 40% of the known DZ white dwarfs with an He-rich atmosphere contained in the 20pc volume have a magnetic field, while further observations are needed to establish whether the remaining DZ white dwarfs in the same volume are magnetic or not. Metal lines in the spectra of DZ white dwarfs are thought to have originated by accretion from rocky debris, and it might be argued that a link exists between metal accretion and higher occurrence of magnetism. However, we are not able to distinguish whether the magnetic field and the presence of a polluted atmosphere have a common origin, or if it is the presence of metal lines that allows us to detect a higher frequency of magnetic fields in cool white dwarfs, which would otherwise have featureless spectra. We argue that the new highly sensitive longitudinal field measurements that we have made in recent years are consistent with the idea that the magnetic field appears more frequently in older than in younger white dwarfs.

연구 동기 및 목표

• 국부 20 pc 부피 내 DZ 백색왜성에서 진짜 자기장 발생 빈도를 규명하기 위해, 관측 편향이 최소한인 영역을 대상으로 한다.
• 낮은 분辨도 및 감도로 인해 차가운 백색왜성의 약한 자기장을 놓치는 제한을 극복한다.
• 냉각 연령이 증가함에 따라 자기장 빈도가 증가하는가를 시험하는 가설을 검토한다. 특히 헬륨 빈도가 높고 금속 오염이 있는 대기층을 가진 DZ 별에서 이를 중심으로 한다.
• 금속선 존재가 자기장 탐지 가능성을 높이는지, 또는 침착과 자기장 생성 간의 물리적 연관성이 있는지 평가한다.
• 부피 제한된, 스펙트로폴라미터리 관측을 통해 통계적으로 편향이 없는 자기 백색왜성 샘플을 확립한다.

제안 방법

• 국부 20 pc 부피 내 DZ 백색왜성에서 횡방향 및 縦방향 자기장을 탐지하기 위해 고감도 원형 스펙트로폴라미터리를 수행하였다.
• 스펙트럼의 Ca ii H+K 선을 분석하여 자기장 존재를 나타내는 극화 신호에 집중하였다.
• Very Large Telescope의 FORS2를 사용하여 고신호 대비, 저해상도 스펙트로폴라미터리 데이터를 확보하였다.
• 수십 킬로가우스에 이르는 낮은 자기장에도 민감한 스펙트로폴라미터리 기법을 적용하여, 기존 스펙트럼 분석으로는 탐지되지 않는 자기장을 탐지할 수 있도록 하였다.
• 이전 조사 결과와 비교하여 등급, 스펙트럼 유형, 해상도 등의 이유로 인한 자기장 탐지 편향을 평가하였다.
• 극화 진폭과 시야 방향 성분 계산을 통해 縦방향 자기장 강도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국부 20 pc 부피 내 DZ 백색왜성에서 등급 및 스펙트럼 해상도 편향 없이 진짜 자기장 발생 빈도는 얼마인가?
• RQ2 이전 간접 증거에 따르면 냉각 연령이 증가함에 따라 DZ 백색왜성의 자기장 빈도가 증가하는가?
• RQ3 금속선 존재가 DZ 별에서 자기장을 탐지 가능성을 높이는가, 아니면 침착과 자기장 생성 간에 물리적 연관성이 있는가?
• RQ4 제이먼 분할이 식별되지 않는 차가운, 특징이 없는 백색왜성 스펙트럼에서 스펙트로폴라미터리 기법이 약한 자기장을 탐지할 수 있는가?
• RQ5 DZ 별의 자기장 빈도는 DA 또는 DZ 외 다른 백색왜성 스펙트럼 유형과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?

주요 결과

• WD 0816−310, WD 1009−184, WD 1532+129, WD 2138−332 네 개의 DZ 백색왜성에서 스펙트로폴라미터리로 자기장을 확인하였다.
• WD 1009−184는 Ca ii H+K 선에서 20퍼센트의 극화 진폭을 보이며, 이는 40 kG의 縦방향 자기장을 나타내며, 이 방법의 높은 감도를 입증한다.
• 20 pc 부피 내 헬륨 빈도가 높은 DZ 백색왜성 중 적어도 40퍼센트 이상이 자기장을 지닌다. 이는 다른 스펙트럼 유형보다 더 높은 빈도를 의미한다.
• 이러한 차가운, 금속 오염이 있는 별들에서 약한 자기장을 탐지한 것은, 표준 스펙트럼 분석으로는 놓치는 자기장을 드러내기 위해 스펙트로폴라미터리가 필수적임을 시사한다.
• 관측된 경향은 자기장 빈도가 냉각 연령 증가와 함께 증가한다는 가설을 지지한다. 젊은 백색왜성이 더 많지만 자기장 빈도는 낮기 때문이다.
• 결과는 자기장이 이전에 생각했던 것보다 DZ 별에서 더 흔할 수 있으며, 상당수의 자기장은 극화 기법을 통해만 탐지 가능하다는 것을 암시한다.