[论文解读] Ground-state alignment of atoms and ions: New Diagnostics of Astrophysical Magnetic field in diffuse medium

Huirong Yan, A. Lazarian|ArXiv.org|Jun 23, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 5

一句话总结

本文提出利用弥漫星体介质中基态原子和离子的取向，作为探测弱磁场（1 G 至 0.1 μG）的新诊断工具。通过利用由非对称辐射激发的光学与紫外吸收和发射线中的偏振——该偏振受磁场调制——可实现磁场方向的三维映射，该方法在星际、星系际及早期宇宙环境中具有潜在应用价值。

ABSTRACT

We discuss a new technique of studying magnetic fields in diffuse astrophysical media, e.g. interstellar and intergalactic gas/plasma. This technique is based on the angular momentum alignment of atoms and ions in their ground or metastable states. As the life-time of atoms in such states is long, the alignment induced by anisotropic radiation is susceptible to weak magnetic fields ($1{ m G}\gtrsim B\gtrsim0.1μ$G). The alignment reveals itself in terms of the polarization of the absorbed and emitted light. A variety of atoms with fine or hyperfine splitting of the ground or metastable states exhibit the alignment and the resulting polarization degree in some cases exceeds 20%. We show that in the case of absorption the polarization direction is either parallel or perpendicular to magnetic field, while more complex dependencies emerge for the case of emission of aligned atoms. We show that the corresponding studies of magnetic fields can be performed with optical and UV polarimetry. A unique feature of these studies is that they can reveal the 3D orientation of magnetic field. In addition, we point out that the polarization of the radiation arising from the transitions between fine and hyperfine states of the ground level can provide yet another promising diagnostics of magnetic fields, including the magnetic fields in the Early Universe. We mention several cases of interplanetary, circumstellar and interstellar magnetic fields for which the studies of magnetic fields using ground state atomic alignment effect are promising.

研究动机与目标

• 开发一种新方法，用于探测弥漫星际与星系际介质中的弱磁场。
• 克服现有磁场诊断方法的局限性，例如在低柱密度下灵敏度不足，或偏振方向存在90°模糊性。
• 利用取向原子/离子的偏振吸收与发射，实现磁场方向的三维映射。
• 探索该方法在再电离时期及尘埃颗粒可能无法存活的电离环境中研究磁场的潜力。
• 利用取向原子的拉莫尔进动 timescale，实现对磁场动力学的时间分辨探测。

提出的方法

• 通过非对称辐射泵浦，利用具有精细或超精细结构的原子与离子的基态取向。
• 利用磁场引起的原子角动量重新取向，从而改变发射或吸收辐射的偏振态。
• 通过测量光学与紫外谱线中的偏振度与偏振方向，推断磁场方向与强度。
• 将该技术应用于吸收线（偏振方向与B平行或垂直）与发射线（具有更复杂的偏振依赖性）。
• 利用具有不同亚稳态寿命的多种原子种类，实现跨空间尺度的磁场层析映射。
• 利用取向基态亚能级跃迁的射电发射作为替代诊断通道，尤其适用于早期宇宙磁场研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子与离子基态中的取向是否能作为弥漫星体等离子体中弱磁场的灵敏探测手段？
• RQ2 取向原子所吸收或发射的光的偏振特性如何依赖于磁场的方向与强度？
• RQ3 该方法能否唯一确定星际与星系际介质中磁场的三维取向？
• RQ4 该技术在通过取向基态的射电发射研究早期宇宙磁场方面具有何种潜力？
• RQ5 原子偏振的时间变化是否可用于探测时变磁场，例如行星际空间或磁流体动力学湍流中的磁场？

主要发现

• 具有精细或超精细结构的原子与离子，其基态或亚稳态可通过非对称辐射实现取向，从而可探测低至0.1 μG的弱磁场。
• 光学与紫外吸收线中的偏振方向与磁场方向平行或垂直，可提供明确无歧义的磁场取向信息。
• 对于发射线，偏振图案取决于观测几何与磁场方向，可提供复杂但信息丰富的磁场映射。
• 某些跃迁的偏振度可超过20%，使信号即使在低柱密度环境中也可被探测到。
• 取向基态亚能级跃迁的射电发射为研究早期宇宙磁场提供了有前景的途径。
• 取向原子的拉莫尔进动 timescale 允许对磁场动力学进行时间分辨研究，包括行星际湍流。