[論文レビュー] Period spacings of gravity modes in rapidly rotating magnetic stars II. The case of an oblique dipolar fossil magnetic field

V. Prat, S. Mathis+4 more|Lirias (KU Leuven)|Mar 17, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 35被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、摂動的磁気星震学を用いて、回転が速い星における重力モード周期間隔に、斜めに傾いた双極子型の化石磁場が及ぼす影響を調査する。その結果、歪み（obliquity）が磁場周波数シフトを増幅させ、特に90°の歪みで最大値に達する。これにより、弱い磁場に対しても、特に赤道に閉じ込められたモードでは検出可能なシグネチャが得られるようになる。

ABSTRACT

Context. Stellar internal magnetic fields have recently been shown to leave a detectable signature on period spacing patterns of gravity modes. Aims. We investigate the effect of the obliquity of a mixed (poloidal and toroidal) dipolar internal fossil magnetic field with respect to the rotation axis on the frequency of gravity modes in rapidly rotating stars. Methods. We use the traditional approximation of rotation to compute non-magnetic modes, and a perturbative treatment of the magnetic field to compute the corresponding frequency shifts. We apply the new formalism to HD 43317, a magnetic, rapidly rotating, slowly pulsating B-type star, whose field has an obliquity angle of about 80°. Results. We find that frequency shifts induced by the magnetic field on high-radial-order gravity modes are larger with increasing obliquity angle, when the magnetic axis is closer to the equatorial region, where these modes are trapped. The maximum value is reached for an obliquity angle of 90°. This trend is observed for all mode geometries. Conclusions. Our results predict that the signature of an internal oblique dipolar magnetic field is detectable using asteroseismology of gravity modes.

研究の動機と目的

• 回転が速い星における重力モード周波数に及ぼす、斜めに傾いた内部の化石磁場の影響を評価すること。
• 磁場軸が回転軸に対して傾いている（歪み）場合、重力慣性モードにおける周波数シフトに及ぼす影響を特定すること。
• HD 43317のような星における星震的周期間隔パターンを通じて、内部磁場の検出可能性を評価すること。
• 軸対称磁場の場合と比較して、斜め磁場の効果がどれほど感度を向上させるかを定量化すること。
• 今後の観測で、周期間隔パターンを用いて高温で脈動する星における内部磁場を検出可能にするための基盤を提供すること。

提案手法

• 回転の伝統的近似（TAR）を用いて、回転星内部における非磁気的重力モードをモデル化する。
• 摂動理論を用いて、弱い混合（極座標およびトロイダル成分を含む）双極子磁場が引き起こす周波数シフトを計算する。
• 磁場効果をモデル化するため、ローレンツ力の摂動 δF_L = (1/μ₀)[(∇×B)×δB + (∇×δB)×B] を適用する。
• TAR下で球座標系におけるHough関数（H_r, H_θ, H_φ）を用いてモード固有関数を解く。
• HD 43317（回転が速く、磁場があり、ゆっくり脈動するB型星で、歪みが約80°）にこの形式を適用する。
• 異なる歪み角度（0°〜90°）およびモード幾何（前進型、後退型、セクター型）における周波数シフトを定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化石磁場の歪みが、回転が速い星における重力モードの周波数シフトにどのように影響するか？
• RQ2 軸対称磁場と比較して、斜め磁場は周期間隔パターンにおいてより顕著な検出シグネチャを生じるか？
• RQ3 高次数の重力モードに対して、磁場周波数シフトが最大になる歪み角度はどの程度か？
• RQ4 観測された周期間隔パターンにおいて、磁場効果と回転効果を区別できるか？
• RQ5 KeplerおよびTESSデータにおいて、星震学的手法を用いて内部磁場を検出する上で、どのような意味を持つのか？

主な発見

• 磁場による周波数シフトは歪みが増加するにつれて増大し、磁場軸が回転軸に対して垂直（90°）になると最大値に達する。
• このシフトの増幅は、斜め磁場が赤道に閉じ込められた重力モードと強く結合するためであり、特に赤道付近で効果を発揮する。
• 同じ磁場強度において、斜め磁場は軸対称磁場と比較して、周期間隔のずれを最大で10倍まで増幅させることができる。
• 高歪みおよび高回転速度では、負の周期間隔が観測され、摂動的アプローチの破綻を示しており、非摂動的取り扱いの必要性を示唆する。
• 前進型および後退型モードの両方とも、斜め磁場に対して感度が向上し、特に赤道に閉じ込められた低周波数モードで最も顕著な効果が観察される。
• これらの結果から、HD 43317のような星における斜め磁場は、現在および将来的な宇宙望遠鏡光度観測（例：TESS）で観測可能なシグネチャを生じさせられ、内部化石磁場の間接的検出が可能になると考えられる。