[논문 리뷰] Large-scale magnetic topologies of late M dwarfs

J. Morin, J.‐F. Donati외 4명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 30.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 3인용 수 235

한 줄 요약

이 연구는 스펙트로폴라미메트리와 톰그래픽 이미징를 사용하여 11개의 늦은 M형 주계류 항성(M5–M8)에 대한 최초의 대규모 자기장 구조도를 제시한다. 두 가지 다른 자기장 제도가 드러났다: 중간 M형 항성과 유사한 강력한 축대칭 다극자장과, 비대칭성 및 토로이드 성분이 뚜렷한 약한 복잡한 자기장으로, 유사한 자전과 질량에도 불구하고 0.2 M☉ 이하에서 다이너모 전환 현상이 발생했음을 시사한다.

ABSTRACT

We present here the final results of the first spectropolarimetric survey of a small sample of active M dwarfs, aimed at providing observational constraints on dynamo action on both sides of the full-convection threshold (spectral type M4). Our two previous studies (Donati et al. 2008b; Morin et al. 2008b) were focused on early and mid M dwarfs. The present paper examines 11 fully convective late M dwarfs (spectral types M5-M8). Tomographic imaging techniques were applied to time-series of circularly polarised profiles of 6 stars, in order to infer their large-scale magnetic topologies. For 3 other stars we could not produce such magnetic maps, because of low variability of the Stokes V signatures, but were able to derive some properties of the magnetic fields. We find 2 distinct categories of magnetic topologies: on the one hand strong axisymmetric dipolar fields (similar to mid M dwarfs), and on the other hand weak fields generally featuring a significant non-axisymmetric component, and sometimes a significant toroidal one. Comparison with unsigned magnetic fluxes demonstrates that the second category of magnetic fields shows less organization (less energy in the large scales), similarly to partly convective early M dwarfs. Stars in both categories have similar stellar parameters, our data do not evidence a separation between these 2 categories in the mass-rotation plane. We also report marginal detection of a large-scale magnetic field on the M8 star VB 10 featuring a significant toroidal axisymmetric component, whereas no field is detectable on VB 8 (M7).

연구 동기 및 목표

• 완전히 대류 가능한 늦은 M형 항성(M5–M8)의 대규모 자기장 구조를 스펙트로폴라미메트리로 조사하기.
• 완전 대류 경계를 넘어서도 다이너모 과정이 다르게 작용하는지, 특히 0.2 M☉ 이하에서 그러한 차이가 있는지 테스트하기.
• 늦은 M형 항성과 이전의 M형 항성 간의 자기장 조직화 및 자기력 분포를 비교하기.
• 자전과 질량과 같은 항성 파라미터가 자기장 구조에 미치는 영향 평가하기.
• VB 10(M8)과 VB 8(M7)를 포함한 초냉각 항성에서 대규모 자기장을 탐지하기.

제안 방법

• 시간에 따른 스펙트로폴라미메트리 관측을 캐나다-프랑스-하와이 천체망원경(Canada-France-Hawaii Telescope, CFHT)을 사용하여 수행하였다.
• 원형 편광(스테이크스 V) 선형형의 재구성에 톰그래픽 이미징 기법을 적용하여 대규모 자기장 구조를 복원하였다.
• 비편광(스테이크스 I) 및 원형 편광(스테이크스 V) 선형형을 비교하기 위해 자기력 밀도를 유도하였다.
• 다이너모 제도 평가를 위해 로스비 수(Ro)를 계산하였으며, Ro < 0.02는 포화 상태를 나타낸다.
• 대규모 자기장 일관성 정도를 나타내기 위해 스테이크스 V와 스테이크스 I 자기력의 비율을 통해 자기장 조직화 정도를 정량화하였다.
• 약한 신호 탐지를 위해 통계적 스택킹 및 평균화 기법을 사용하였으며, 특히 VB 10과 VB 8에서의 적용을 중심으로 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 대류 가능한 늦은 M형 항성(M5–M8)은 중간 M형 항성과 유사한 대규모 자기장 구조를 갖는가?
• RQ2 늦은 M형 항성에서 자기장 구조 형태에 이중성 분포가 존재하는가? 만약 그렇다면 다이너모 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 완전 대류성과 부분 대류성 M형 항성 간의 스테이크스 V 대 스테이크스 I 자기력 비율은 어떻게 다를까?
• RQ4 VB 10(M8)과 VB 8(M7)와 같은 초냉각 항성에서 대규모 자기장을 탐지할 수 있는가?
• RQ5 늦은 M형 항성에서 관측된 자기장 구조 다양성은 질량, 자전, 또는 로스비 수와 같은 항성 파라미터와 상관이 있는가?

주요 결과

• 강력한 축대칭 다극자장(중간 M형 항성과 유사)과 비대칭성 및 토로이드 성분이 뚜렷한 약한 복잡한 자기장으로 나누어진 두 가지의 대표적 자기장 구조 유형이 확인되었다.
• 강력한 다극자장 유형의 항성은 유사한 로스비 수에도 불구하고 중간 M형 항성보다 더 높은 자기력 밀도를 보이며, 자기장 조직화가 향상되었음을 시사한다.
• WX UMa와 같은 강력한 다극자장 항성의 경우 스테이크스 V 대 스테이크스 I 자기력 비율은 약 15%로, 높은 대규모 자기장 일관성을 나타내지만, 약한 자기장 항성의 경우 약 30%로, 더 낮은 조직화 수준을 시사한다.
• 약한 자기장 유형의 늦은 M형 항성은 유사한 로스비 수에도 불구하고, 초기 M형 항성과 유사하거나 그 이하의 자기력 수준을 보이며, 초포화 상태가 원인일 수 없다는 것을 배제한다.
• M8형 항성인 VB 10에서는 대규모 토로이드 축대칭 자기장 성분이 약간의 신호로 추론되었지만, M7형 항성인 VB 8에서는 검출 가능한 스테이크스 V 신호가 발견되지 않았다.
• 두 자기장 구조 유형 간에 질량-자전 평면상의 명확한 분리가 관측되지 않아, 자기장 구조가 자전이나 질량에 의해 단지 결정되지 않는다는 것을 시사한다.