[논문 리뷰] Stringent limits on the magnetic field strength in the disc of TW Hya: ALMA observations of CN polarisation

W. H. T. Vlemmings, Boy Lankhaar외 9명|Leiden Repository (Leiden University)|2019. 04. 02.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 42인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 TW Hya 원행 星원반의 CN 방출에서 원형 편광의 첫 번째 ALMA 관측을 제시하며, 자성장 강도를 측정하기 위해 증거를 제시한다. 뛰어난 기기 감도에도 불구하고 유의미한 원형 편광은 관측되지 않아, 지금까지 가장 엄격한 상한선을 제시한다: |Bz| < 0.8 mG (1σ) 및 Btoroidal < 30 mG로, 일부 순환 원반 모형을 배제하지만 최근 시뮬레이션에서 효율적인 자성장 이행과 일치한다.

ABSTRACT

Despite their importance in the star formation process, measurements of magnetic field strength in proto-planetary discs remain rare. While linear polarisation of dust and molecular lines can give insight into the magnetic field structure, only observations of the circular polarisation produced by Zeeman splitting provide a direct measurement of magnetic field strenghts. One of the most promising probes of magnetic field strengths is the paramagnetic radical CN. Here we present the first Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) observations of the Zeeman splitting of CN in the disc of TW~Hya. The observations indicate an excellent polarisation performance of ALMA, but fail to detect significant polarisation. An analysis of eight individual CN hyperfine components as well as a stacking analysis of the strongest (non-blended) hyperfine components yields the most stringent limits obtained so far on the magnetic field strength in a proto-planetary disc. We find that the vertical component of the magnetic field $|B_z|&lt;0.8$~mG ($1σ$ limit). We also provide a $1σ$ toroidal field strength limit of $&lt;30$~mG. These limits rule out some of the earlier accretion disc models, but remain consistent with the most recent detailed models with efficient advection. We detect marginal linear polarisation from the dust continuum, but the almost purely toroidal geometry of the polarisation vectors implies that his is due to radiatively aligned grains.

연구 동기 및 목표

• CN 분자 선에서 제어니 효과를 이용해 원행성원반 내 자성장 강도를 직접 측정하기 위해.
• ALMA가 원행성원반에서 제어니 분리에 의한 원형 편광을 감지하는 데 성능을 시험하기 위해.
• 고감도 관측을 통해 TW Hya 원반의 수직 및 토로이드 성분의 자성장 제약을 설정하기 위해.
• 관측된 상한선이 자성장 이행 및 확산을 포함하는 이론적 순환 원반 모형과 일치하는지 평가하기 위해.
• 복사에 의한 입자 정렬이-dust 연속기반 선형 편광을 해석하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• TW Hya 원반의 CN (N=2–1, J=3/2–1/2) 초미세수준 전이에 초점을 맞춘 밀리미터 파장에서의 고감도 ALMA 관측을 수행하였다.
• 개별 초미세 성분을 분석하고, 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 가장 강한 비혼합 성분에 대해 스택 분석을 수행하였다.
• CN의 자석 이중극 전이에서 발생하는 제어니 분리를 이용해 원형 편광 진폭에서 자성장 강도를 유추하였다.
• ALMA 밴드 3, 6, 7에서 CN의 초미세 구조에 걸친 제어니 분리를 고려하기 위해 복사 전달 모델을 적용하였다.
• 관측된 편광 상한선을 원행성원반 내 자성장 이행 및 확산 이론 모형과 비교하였다.
• 잔류 편광을 확인함으로써 기기 시스템 성능을 평가하였으며, 총 강도의 0.8% 이하 감도를 확보함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CN 제어니 원형 편광을 통해 측정한 TW Hya 원행성원반의 수직 성분 자성장 상한선은 무엇인가요?
• RQ2 동일한 편광 데이터를 바탕으로 원반 내 토로이드 성분 자성장 강도는 어느 정도인가요?
• RQ3 관측된 편광 상한선은 현재의 자성장 이행 및 확산 모형과 일치하는가요?
• RQ4 복사에 의한 입자 정렬 효과가 먼지 연속기반 관측된 선형 편광에 어느 정도 기여하는가요?
• RQ5 ALMA는 CN 제어니 분리를 이용해 원행성원반 내 1 mG 이하의 자성장을 감지할 수 있는 감도를 확보할 수 있는가요?

주요 결과

• 8개의 CN 초미세 성분 중 어느 것도 유의미한 원형 편광을 관측하지 못하여, 자성장 강도가 감지 임계값 이하임을 시사한다.
• 수직 자성장 성분에 대한 1σ 상한선은 |Bz| < 0.8 mG로, 지금까지 원행성원반에서 가장 엄격한 Bz 제약 조건이다.
• 토로이드 자성장 성분에 대한 1σ 상한선은 <30 mG로, 효율적인 자성장 이행을 포함하는 모형과 일치한다.
• 관측된 상한선은 이른바 강력한 수직장 예측을 하는 이전 순환 원반 모형(예: Shu et al. 2007)을 배제하지만, 효율적 이행 및 이중성 확산을 포함하는 모형과 일치한다.
• 스택 분석을 통해 총 강도의 0.8% 이하에서 기기 편광이 없음을 확인하여, ALMA가 적절한 천체에서 1mG 이하 감도에 도달할 수 있음을 입증하였다.
• 먼지 연속기반에서 약간의 선형 편광이 관측되었지만, 그 토로이드 기하학적 특성은 자성장이 아닌 복사에 의해 정렬된 입자에서 기인함을 강하게 시사한다.