[论文解读] Stringent limits on the magnetic field strength in the disc of TW Hya: ALMA observations of CN polarisation

W. H. T. Vlemmings, Boy Lankhaar+9 more|Leiden Repository (Leiden University)|Apr 2, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 42被引用 15

一句话总结

本研究首次对TW Hydra原行星盘中CN发射线的圆偏振态进行了ALMA观测，利用塞曼分裂探测磁场强度。尽管仪器灵敏度极佳，但未检测到显著的圆偏振信号，从而得出迄今为止最严格的上限：|Bz| < 0.8 mG（1σ）和Btoroidal < 30 mG，排除了部分吸积盘模型，但与近期模拟中高效磁场输运的结果一致。

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.

研究动机与目标

• 通过CN分子线中的塞曼效应，直接测量原行星盘中的磁场强度。
• 检验ALMA在原行星盘中检测塞曼分裂引起的圆偏振态的能力。
• 利用高灵敏度观测，约束TW Hydra盘中磁场的垂直分量和环向分量。
• 评估观测上限与涉及磁场输运和扩散的理论吸积盘模型的一致性。
• 评估辐射场对尘埃颗粒取向的影响在解释尘埃连续谱线偏振态中的作用。

提出的方法

• 在毫米波段对TW Hydra盘中CN（N=2–1，J=3/2–1/2）超精细跃迁进行高灵敏度ALMA观测。
• 分析各个超精细组分，并对最强且未重叠的组分进行叠加分析，以提高信噪比。
• 利用CN磁偶极跃迁的塞曼分裂，从圆偏振态振幅推断磁场强度。
• 应用辐射转移模型，考虑ALMA波段3、6和7中CN超精细结构的塞曼分裂效应。
• 将观测到的偏振上限与原行星盘中磁场输运和扩散的理论模型进行比较。
• 通过检查数据中残留偏振态，评估仪器系统性能，确认灵敏度可达到总强度的0.8%以下。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过CN塞曼圆偏振态测量，TW Hydra原行星盘中磁场垂直分量的上限是多少？
• RQ2 基于相同的偏振数据，盘中环向磁场分量的强度如何？
• RQ3 观测到的偏振上限是否与当前原行星盘中磁场输运和扩散的理论模型一致？
• RQ4 辐射场对尘埃颗粒取向的影响在多大程度上贡献于观测到的尘埃连续谱线偏振态？
• RQ5 ALMA能否实现检测原行星盘中低于1 mG磁场的灵敏度，通过CN塞曼分裂方法？

主要发现

• 在八个CN超精细组分中均未检测到显著的圆偏振信号，表明磁场强度低于探测阈值。
• 垂直磁场分量的1σ上限为|Bz| < 0.8 mG，这是迄今为止对原行星盘中Bz最严格的约束。
• 环向磁场分量的1σ上限为<30 mG，与磁场高效输运的模型一致。
• 观测上限排除了早期吸积盘模型中预测的较强垂直磁场（如Shu et al. 2007），但与包含高效输运和非对称扩散的模型一致。
• 叠加分析确认仪器无偏振信号，灵敏度低于总强度的0.8%，证明ALMA在合适源中可实现亚mG量级的灵敏度。
• 在尘埃连续谱中检测到微弱的线性偏振，但其环向几何结构强烈表明其源于辐射场对齐的尘埃颗粒，而非磁场效应。