[論文レビュー] Dynamics of magnetic flux tubes in close binary stars II. Nonlinear evolution and surface distributions

V. Holzwarth, M. Schüßler|ArXiv.org|Apr 28, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 11被引用数 41

ひとこと要約

本研究は、近接連星における干渉が上昇する磁気フラックスチューブの非線形的進化および表面分布に与える影響を調査する。3次元磁気流体力学的シミュレーションを用い、薄いフラックスチューブ近似のもとで、わずかな干渉力ですら、蓄積的および共鳴的効果を通じて、特定の経度（180°隔てた場所）に集中的な爆発を引き起こすことが示された。これは、RS CVn系のような活発な連星における観測された spots パatters を説明するものである。

ABSTRACT

Observations of magnetically active close binaries with orbital periods of a few days reveal the existence of starspots at preferred longitudes (with respect to the direction of the companion star). We numerically investigate the non-linear dynamics and evolution of magnetic flux tubes in the convection zoneof a fast-rotating component of a close binary system and explore whether the tidal effects are able to generate non-uniformities in the surface distribution of erupting flux tubes. Assuming a synchronised system with a rotation period of two days and consisting of two solar-type components, both the tidal force and the deviation of the stellar structure from spherical shape are considered in lowest-order perturbation theory. The magnetic field is initially stored in the form of toroidal magnetic flux rings within the stably stratified overshoot region beneath the convection zone. Once the field has grown sufficiently strong, instabilities initiate the formation of rising flux loops, which rise through the convection zone and emerge at the stellar surface. We find that although the magnitude of tidal effects is rather small, they nevertheless lead to the formation of clusters of flux tube eruptions at preferred longitudes on opposite sides of the star, which result from the cumulative and resonant character of the action of tidal effects on rising flux tubes. The longitude distribution of the clusters depends on the initial parameters of flux tubes in the overshoot region like magnetic field strength and latitude, implying that there is no globally unique preferred longitude along a fixed direction.

研究の動機と目的

• 磁気的に活発な近接連星における星spot の非一様な経度的分布の起源を理解すること。
• 同伴星からの干渉力が対流層内での磁気フラックスチューブの非線形的ダイナミクスおよび出現パターンに与える影響を調査すること。
• 干渉効果のみが、反対側の半球に特定の経度で観測されるフラックスチューブの爆発のクラスタリングを生じさせうるかどうかを特定すること。
• 磁場強度や緯度といった初期フラックスチューブパラメータが、出現パターンに与える依存関係を調査すること。
• 通常の連星系においては微小な値であるにもかかわらず、干渉力が表面spot 分布を形作る役割を果たすかを評価すること。

提案手法

• 3次元磁気流体力学的フレームワークを用い、薄いフラックスチューブ近似のもとで、磁気フラックスチューブの進化を数値的にシミュレートする。
• 最低次の摂動理論を用いて、潮汐変形を伴う太陽型星モデルにおける干渉力および星の変形効果を組み込む。
• フラックスチューブを、断面が円形で、浮上する孤立した、トルイダル構造とみなす。断熱的条件下で進化させる。
• 上昇するフラックスチューブと対流プラズマ環境との相互作用を模擬するため、流体力学的抵抗力を導入する。
• 統計的出現パターンを模擬するため、緯度および経度に均等に初期条件を設定する。
• フラックスチューブの軌道をオーバーストゥーブ領域から星面までマッピングし、最終的な出現分布を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近接連星系における干渉力は、爆発する磁気フラックスチューブの非一様な経度的分布を引き起こすか？
• RQ2 長期間にわたる上昇時間（数か月から数年）における共鳴および蓄積的干渉効果が、フラックスチューブの出現パターンに果たす役割は何か？
• RQ3 初期フラックスチューブパラメータ（例：磁場強度、緯度）が、最終的な表面出現分布に与える影響は何か？
• RQ4 なぜ活発な連星では、反対半球に180°隔ててspot クラスタが頻繁に観測されるのか？
• RQ5 干渉力の大きさが小さいにもかかわらず、それらが観測されるクラスタリングをどれほど説明できるのか？

主な発見

• 微小ではあるが、干渉力が爆発するフラックスチューブの非一様な表面分布を引き起こし、好ましい経度にクラスタを形成する。
• 反対極のクラスタ形成は、二重ループフラックスチューブ（方位角波番号 m=2）とπ周期的な干渉ポテンシャルとの共鳴的相互作用によって駆動される。
• 長期間にわたる上昇時間（数か月～数年）における蓄積的干渉効果が、フラックスチューブの軌道および出現パターンを顕著に変化させる。
• クラスタの経度は、磁場強度や初期緯度といった初期フラックスチューブパラメータに依存するため、一意の好ましい経度は存在しない。
• 本モデルは、180°隔ててspot クラスタが頻繁に観測される現象を説明でき、干渉摂動のπ周期性と整合的である。
• 時間に依存しない出現パターンは、観測されたspot クラスタの方位角的移動を説明するには、時間に依存するダイナモ機構が必要である可能性を示唆する。