[논문 리뷰] Linear polarization of submillimetre masers. Tracing magnetic fields with ALMA

A. F. Pérez-Sánchez, W. H. T. Vlemmings|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|2013. 01. 04.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 57인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 ALMA의 완전한 편광 능력을 활용하여 SiO, H₂O, HCN의 선형 편광된 마이크로파 마저를 탐지 가능성에 대해 조사한다. 복사 전달 모델링을 통해 제이만 영역( gΩ > R 및 gΩ > Γ)에서 최대 13–19%의 분수적 선형 편광도 달성 가능함을 보여주며, 이는 성간 형성 영역과 (후속-)AGB 별의 원환성 환경에서 자기장 추적 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

(Abridged) The goal of this work is to investigate if SiO, H2O and HCN maser emission within the ALMA frequency range can be detected with observable levels of fractional linear polarization in the regime where the Zeeman frequency (gOmega) is greater than the stimulated emission rate (R) and the decay rate of the molecular state (Gamma). We have used a radiative transfer code to calculate the fractional linear polarization as a function of the emerging brightness temperature for a number of rotational transition of SiO, H2O and HCN which have been observed to display maser emission at submillimetre wavelengths. We assume typical magnetic field strengths measured towards galactic star forming regions and circumstellar envelopes of late-type stars from previous VLBI observations. Since the Landé g-factors have not been reported for the different rotational transitions we have modeled, we performed our calculations assuming conservative values of the Zeeman frequency for the different molecular species. Setting a lower limit for the Zeeman frequency which still satisfies the criteria gOmega>R and gOmega>Gamma, we find fractional polarization levels of up to 13%, 14% and 19% for the higher J transitions analysed for SiO, H2O and HCN, respectively, without considering anisotropic pumping or any other non-Zeeman effect. Such upper limits were calculated assuming a magnetic field oriented perpendicular to the direction of propagation of the maser radiation. According to our results SiO, H2O and HCN maser emission within the ALMA frequency range can be detected with suitable linear polarization to trace the magnetic field structure towards star forming regions and late-type stars, even if the detected polarization has been enhanced by non-Zeeman effects.

연구 동기 및 목표

• ALMA 주파수 대역 내 SiO, H₂O, HCN 마저가 제이만 지배 조건에서 관측 가능한 선형 편광을 보일 수 있는지 평가하기.
• 제이만 주파수가 자발적 복사 속도와 자발적 붕괴 속도를 모두 초월할 때 얻을 수 있는 최대 분수적 선형 편광도를 결정하기.
• 편광된 마저 방출을 성간 형성 영역과 원환성 환경의 자기장 구조 추적에 신뢰할 수 있는 지표로 사용할 수 있는지 평가하기.
• 빛의 세기 온도와 비피팅 효과를 고려하여 다양한 마저 전이에 대해 탐지 가능한 편광 수준의 정량적 추정 제공하기.

제안 방법

• 분수적 선형 편광도를 빛의 세기 온도와 광선 원소 곱(TbΔΩ)의 함수로 계산하기 위해 Nedoluha & Watson(1992) 기반 복사 전달 코드를 사용하였다.
• 모델링은 보수적인 Landé g-요소와 은하계 성간 형성 영역 및 (후속-)AGB 환경에서 관측된 일반적인 자기장 강도를 가정하였다.
• 편광 방향이 본질적인 자기장 방향을 반영하기 위해 조건 gΩ > R 및 gΩ > Γ를 평가하였다.
• 자극된 복사 속도 R는 TbΔΩ에서 유도되었으며, Tb는 관측된 복사 밀도와 광선 크기에서 계산되었다.
• SiO, H₂O, HCN에 대해 진동 수준 v=3까지 고려하였으며, 고- J 회전선에 집중하였다.
• 1% 편광 탐지에 필요한 현장 통합 시간을 결정하기 위해 ALMA 감도 계산기로부터 감도 추정치를 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ALMA 대역 내 SiO, H₂O, HCN 마저가 제이만 지배 조건에서 탐지 가능한 선형 편광을 보일 수 있는가?
• RQ2 gΩ > R 및 gΩ > Γ 조건에서 이러한 마저의 최대 분수적 선형 편광도는 얼마인가?
• RQ3 빛의 세기 온도와 비피팅 원소 곱은 편광이 자기장 추적 지표로서 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 낮은 복사 밀도를 갖는 마저 특징에서 ALMA가 1% 선형 편광을 탐지하기 위해 필요한 통합 시간은 얼마인가?
• RQ5 비-제이만 효과가 편광을 증가시키지만 자기장 해석을 무효화하지 않는 정도로 어느 정도까지 허용되는가?

주요 결과

• SiO 마저는 제이만 지배 조건에서 ALMA 대역 내 최대 13%의 분수적 선형 편광도를 달성할 수 있다.
• H₂O 마저는 gΩ > R 및 gΩ > Γ 조건에서 최대 14%의 분수적 선형 편광도를 달성할 수 있다.
• HCN 마저는 최대 19%의 분수적 선형 편광도를 보이며 가장 높은 잠재력을 지닌다.
• SiO 마저에서 1% 선형 편광도의 5σ 탐지가 몇 십 Jy/beam의 피크 복사 밀도일 경우 1시간 이내의 현장 통합 시간으로 가능하다.
• 183 GHz에서 H₂O 마저의 경우 비피팅 원소 곡이 1.6×10⁻³ sr를 초과하면 짧은 통합 시간 내에 1% 편광 수준을 탐지할 수 있다.
• 강한 마저의 경우에도 신뢰할 수 있는 자기장 추적을 위해 TbΔΩ의 철저한 분석이 필요하다.