[论文解读] Comparisons of the Interstellar Magnetic Field Directions obtained from the IBEX Ribbon and Interstellar Polarizations

P. C. Frisch, B. G. Andersson+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 5

一句话总结

本研究比较了来自‘新视野’任务的星际磁場（ISMF）方向与基于40 pc内附近恒星光学偏振的推断方向。利用约30颗恒星的偏振数据，发现最佳拟合的ISMF方向位于银道坐标ℓ, b ≈ 38°, 23°，与IBEX ENA光环的弧心方向（33°, 55°）相差约33°，表明在数十秒差距范围内存在局部磁场的一致性，并可能暗示存在大尺度磁场结构或湍流。

ABSTRACT

Variations in the spatial configuration of the interstellar magnetic field (ISMF) near the Sun can be constrained by comparing the ISMF direction at the heliosphere found from the Interstellar Boundary Explorer spacecraft (IBEX) observations of a 'Ribbon' of energetic neutral atoms (ENAs), with the ISMF direction derived from optical polarization data for stars within ~40 pc. Using interstellar polarization observations towards ~30 nearby stars within 90 deg of the heliosphere nose, we find that the best fits to the polarization position angles are obtained for a magnetic pole directed towards ecliptic coordinates of lambda, beta 263 deg, 37 deg (or galactic coordinates of L,B 38 deg, 23deg), with uncertainties of +/- 35 deg, based on the broad minimum of the best fits and the range of data quality. This magnetic pole is 33 deg from the magnetic pole that is defined by the center of the arc of the ENA Ribbon. The IBEX ENA ribbon is seen in sightlines that are perpendicular to the ISMF as it drapes over the heliosphere. The similarity of the polarization and Ribbon directions for the local ISMF suggest that the local field is coherent over scale sizes of tens of parsecs. The ISMF vector direction is nearly perpendicular to the flow of local ISM through the local standard of rest, supporting a possible local ISM origin related to an evolved expanding magnetized shell. The local ISMF direction is found to have a curious geometry with respect to the cosmic microwave background dipole moment.

研究动机与目标

• 利用距离太阳约40 pc以内的附近恒星的光学偏振数据，确定局部星际磁场（ISMF）的方向。
• 将基于恒星偏振推导出的ISMF方向与IBEX ENA光环弧心所指示的ISMF方向进行比较。
• 评估太阳系附近ISMF的相干尺度，并探讨两种方法之间差异的可能原因。
• 探讨局部ISMF与宇宙微波背景（CMB）偶极矩之间的几何关系。
• 评估ISMF方向差异是否源于大尺度磁场畸变或小尺度湍流。

提出的方法

• 收集了约30颗距离太阳约40 pc以内、位于日球层鼻端约90°范围内的附近恒星的光学偏振位置角。
• 采用统计拟合方法，确定使观测值与模型偏振角残差最小的最佳磁场极点方向。
• 将最佳拟合的偏振法推导出的ISMF方向与IBEX ENA光环弧心所指示的ISMF方向进行比较，后者描绘了垂直于日球层的磁场方向。
• 利用χ²统计量的宽广极小值评估基于偏振的ISMF方向的不确定性，得出±35°的不确定性。
• 评估推导出的ISMF方向与CMB偶极矩大圆之间的角距离，该大圆将CMB的热区与冷区分开。
• 考虑了日球层中星际尘埃颗粒的磁场过滤效应，以及纳米级颗粒对偏振的潜在贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于附近恒星的光学偏振，局部星际磁场（ISMF）的最佳拟合方向是什么？
• RQ2 IBEX ENA光环推断出的ISMF方向与恒星偏振数据推导出的ISMF方向相比如何？
• RQ3 两种ISMF方向之间的差异是否具有统计显著性，还是反映了大尺度磁场结构或湍流？
• RQ4 局部ISMF方向是否与宇宙微波背景（CMB）偶极矩定义的大圆对齐？
• RQ5 ISMF方向的相似性或差异对太阳系附近ISMF相干尺度意味着什么？

主要发现

• 基于约30颗附近恒星的光学偏振，最佳拟合的ISMF方向为ℓ, b ≈ 38°, 23°（或黄道坐标λ, β ≈ 263°, 37°），其不确定性基于拟合的宽广极小值，为±35°。
• IBEX光环弧心所指示的ISMF方向为ℓ, b ≈ 33°, 55°，与偏振法推导出的方向相差约33°。
• 考虑到±35°的不确定性，约33°的差异具有边缘显著性，表明可能存在大尺度磁场畸变或小尺度湍流。
• 局部ISMF方向几乎垂直于本地静止参考系中局部星际介质（LISM）的总体流动速度，支持其起源于演化后的膨胀磁化壳层。
• 推导出的ISMF方向与分割CMB偶极热区与冷区的大圆之间的夹角在8°以内，显示出一种奇特的几何巧合。
• ENAs光环与恒星偏振推导出的ISMF方向之间的相似性，支持了在局部ISM中数十秒差距尺度上磁场的一致性。