2006 年度第 28 回 HDS ゼミ T Tauri 型星の磁場測定の現状 Contents T Tauri 型星と磁場 磁場測定の原理と技法 T Tauri 型星の磁場測定 まとめ 秋田谷 洋 ( 国立天文台 ELT プロジェクト室 ) March 1,

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1 2006 年度第 28 回 HDS ゼミ T Tauri 型星の磁場測定の現状 Contents T Tauri 型星と磁場 磁場測定の原理と技法 T Tauri 型星の磁場測定 まとめ 秋田谷 洋 ( 国立天文台 ELT プロジェクト室 ) March 1,

2 Section. 1 (1) T Tauri 型星と磁場 2

3 低質量星形成 進化の中の T Tauri 型星段階 T Tauri 型星 : 低質量 (< 2Msol ) 前主系列星 Gardner et al. astro-ph/

4 Magnetospheric Accretion Model inner disk の truncation a few x R* 磁場に沿った物質降着 = magnetospheric accretion column accretion shock 落下物質が中心星に衝突 磁極付近に accretion shocks 磁場を通じた中心星と円盤の 相互作用 質量 角運動量の交換 T Tauri 型星の星周構造 物質降着 放出 天体の進化に磁場 が大きく関与 4

5 magnetospheric accretion model が予測する磁場強度 disk と dipole 磁場の相互作用を解析的に評価 モデル毎の磁場強度評価式 [ 観測 推定量 ] 中心星質量 M* 中心星半径 R* 質量降着率 dm/dt 自転周期 P* + モデル ごとのパラメター 磁場強度 ( 中心星赤道 )B* (kg) Ko nigl (1991) 主要パラメータへの依存性はどのモデルもぼぼ同じ ε < 1 : 星の回転率 ( 内縁での回転率に対して ) β : 星の磁場と inner disk の相互作用の程度 Cameron & Campbell (1993) γ 1 : 円盤鉛直方向の share の強さ Shu et al. (1994) αx : 星の磁場と inner disk の相互作用の程度 5

6 期待される磁場強度 現実的に検出可能な磁場強度 ( kg) が期待される t TS s の各種測定 推定物理量 磁場強度推定値 磁場強度測定値 IR line Zeeman broadening より Bouvier et al., in PPV 6

7 T Tauri 型星における磁場への興味 そもそも磁場はあるのか 磁場の強度は 分布は 単純な dipole( 現在のモデルの枠組み )? 複雑な構造? 自転軸に対する傾きは? 安定して存在するのか? 降着流 スポットとの関連は? magnetospheric accretion model の検証 修正 発展 磁場 = T Tauri 型星の物質降着 放出現象を明らかに する上で重要な物理情報 7

8 Section. 2 (2) 磁場測定の原理と技法 8

9 磁場測定の手法 Zeeman 効果 磁場により磁気量子数に対して縮退していた準位が 分離 E i=e 0i gm J ℏ eb E i=e 0i 2 mc E i=e 0i U B μ U = B MJ : magnetic quantum number for B direction (-J J, 2J+1 states) B 1 e e μ = [ l s] 2 mc i mc i 1 e = L 2 S 2 mc 1 e = J S 2 mc li : orbital angular momentum of i-th electron si : spin of i-th electron La'nde g-factor J J 1 L L 1 S S 1 g =1 2 J J 1 J : total angular momentum quantum number L : total orbital angular momentum quantum number S : total spin 9

10 Zeeman 効果の分光特性 Δλ gλ2 2 g e B = 4 m c2 2 2 = g B kg m 磁場方向により異なる偏光 視線平行 = 円偏光 視線垂直 = 直線偏光 B=0 偏光により磁場方向の情報 B// B emission B 0 λ0 λ λ λ0-δλ λ0λ0+δλ absorption g が大きい line で有利 長波長で有利 (Tinbergen 1996) 10

11 T Tauri 型星での Zeeman 効果検出の困難 rotational broadening 大 vsini > 10 km/s rotational broadening > 期待される zeeman split 1kG, g=1) line の完全分離は困難 Bouvier et al. (1993) veiling (UV, IR excess continuum) 大 大気 modeling にパラメター増加 傾斜角小 (broadening 小 ) の天体 geff 大 の line 長波長 (Δλ λ2) で困難減少 11

12 実際の磁場測定の技法 (1)Zeeman Broadening Zeeman Broadening Zeeman 効果により line 幅が広がる 磁場強度 ( 絶対値 ) を反映 filling factor line 強度の重み付け平均となる Δλ F(λ)=FB(λ)*f +FQ(λ)*(1-f) FB(λ) : 磁場領域のスペクトル 磁場なし (quiet) 領域のスペクトル f: filling factor - FQ(λ) : - FQ(λ) の精密な modelling 磁場 filling factor 等をパラメターにし て F(λ) を生成 fitting ( 方向によらない ) 光球磁場全強度測定に利用 12

13 (2) Equivalent Widht 変化 Equivalent Width 変化 Zeeman splitting で line の opacity が変わり EW が変化 line の波長が saturated core から見かけ上 opacity が上昇する wing に移動 Zeeman splitting が非常に小さい場合に利用 非常にシビアな大気の modelling が必要 saturated core Zeeman sprit lines B 0 B=0 EW 増加 初期の成果に利用 最近は利用されていない 13

14 (3) 円偏光分光 Circular polarization 強度 磁場の視線成分 σ 成分が正負逆に円偏光 ( 正負は磁場の 方向を示す ) π 成分なし LHC, RHC を独立に抽出可 peak の差の 検出が容易 LHC 磁場の正負の 卓越成分 のみ検出可 正負異なる微小成分をまとめて見ると 強 度は強くとも正味としてキャンセル ; (eg. 太陽 : 大局的には 4G, plage で 1.5kG spots で 3.0kG) 整列の程度の指標 光球吸収線以外にも適用可 RHC 2Δλ 最近の成果が最も多い4 1

15 Section. 3 (3) T Tauri 型星の磁場測定 15

16 T Tauri 型星磁場測定例 Zeeman broadening (<B>=B*f ; photopshere) ±0.3 G for BP Tau (Johns-Krull et al.1999b) kG for Hubble4, T Tau, BP Tau, TW Hya, DK Tau, DF Tau (J-K et al. 2001) ±0.18 kg for naked TTS Hubble 4 (Johns-Krull et al. 2004) ±0.23 kg for TW Hya (Yang et al. 2007) Bf 1kG for Tap35 (Basri, Marcy & Valenti (1992) ±0.15 kg for T Tau, 1.1± 0.2 kg for LkCa15 (Guenther et al. 1999) Circular Polarized Zeeman splitting lines (Bz;photosphere or emission lines) 磁 場 視 線 成 分 強 度 Bz σ upper limit for T Tau (816G) (Brown & Landstreet 1981) σ upper limit for GW Ori(1110G), CoD (2022G) variable B for RU Lep (484->50 G) (Jhonstone & Penston1986, 1987) detection of profile of circular polarization for V410 Tau (Donati et al. 1997) BP Tau: B=2460 kg for shock-region(hei) / non detection for photosphere (Johns-Krull et al. 1999a) Daily B variation for BP Tau, DK Tau, DF Tau, AA Tau (Johns-Krull et al. 2001) G for T Tau (Smirrov et al. 2002) Bz=160±40G, 14±50 G for T Tau (Smirnov et al. 2003) Valent & Johns-Krull (2004) (Symington et al. 2005) photospheric 3σ(~100G) non detection for T Tau (Daou et al. 2006) photospheric 149±33 G / HeI -1673±50 G / CaII λ ±19 G for TW Hya Yang et al. (2007) <B*f> Equivalent width of Zeeman broadening lines (<B>=B*f ) 磁 場 平 均 強 度 16

17 Zeeman Broadening を用いた光球磁場強度測定 (BP Tau) 光球磁場を検出 ; B*f 2.6kG BP Tau TiI μm line Johns-Krull et al. (1999b) 近赤外スペクトル (R 36000) (IR line; λ2 大, geff=1.66; 大 ) 可視スペクトル (R ) IRTF CSHELL spectrometer R=36000 BP Tau B=0 スペクトルの正確な modeling log g, [M/H], vsini, veiling etc の考慮 が必要 理論予想と同程度 ( kg) の強い磁場 ただし整列の程度は不明 17

18 円偏光分光による磁場 視線成分 測定 (BP Tau) 光球全体では乱雑 spot で整列した磁場 FeI lines ( 光球 ) : 非検出 HeI emission (spot) : 2.5kG ΔλR-L=λR-λL = 9.34x10-7λ2geffB// må kg-1 McDonald Observatory 2.7m Harlan J.Smith Telescope + Zeeman analyser (R 60000) Johns-Krull et al. (1999a) ΔλR-L= 88.2mÅ 2460 G LCP RCP 18

19 磁場全強度 視線方向強度を合わせた議論 (TW Hya) Yang et al. (2005, 2007) TW Hya(Classical T Tauri star) K7Ve(Li), 56±7 pc (TW Hya association) pole-on(i ); vsin(i) 6km/s Weinberger et al 磁場全強度 B*f 測定 (Yang+05) NIR( 2.2μm) TiI 4 lines; Zeeman Broadening 磁場視線強度 Bz 測定 (Yang+07) 可視 photpspheric 12 lines, HeIλ5847 CaIIλ8498, Hα 19

20 TW Hya 光球磁場強度測定 TW Hya TiI 4 lines Zeeman broadening 強度分布 (0 6kG; 1kG ステップ ) も考慮 Yang et al. (2005) IRTF CSHELL spectrometer R=36000 ( 但し結果に劇的な差はなし ) 単一磁場成分では Bf = 2.21 kg (B=3.35kG, f=0.66) 光球磁場 <B*f> = 2.71±0.28 kg 20

21 TW Hya 視線方向磁場測定 光球吸収線 輝線の円偏光分光 HeI5876 CaII 8498 磁場視線方向 成分 Bz HeIλ ±50 G CaIIλ ±19 G photosphere 90±17G Halpha 磁場非検出 3σ < 138G 21

22 TW Hya 磁場の議論 (1) photosphere photosphere : Bz=90±17G 磁場強度 B f 2.6 kg (Yang+05) が全て dipole に寄与 磁極が i+β=83.5 傾いている必要あり この場合 HeI の真の磁 場強度が 5.1 kg 必要だが強すぎる 視線磁場成分 Bz 測定値がそのまま dipole 磁場強度? 赤道域の B 260G (i=28 ) 十分な truncation radius を得る には磁場が弱すぎる! - RT 3R* << R(co-rotation radius)= 6.3 R* or Rinnnerdisk 13 R* (IR 干渉計観測 ) 磁場は dipole だが たまたま magneto spheric accretion model の平衡状態にない? そもそも磁場が単純な dipole ではない 22

23 TW Hya 磁場の議論 (2) emission lines HeIλ5876 (Bz=-1673±50 G ) accretion shock region 起源 Prot=2.2d と相関した modulation CaIIλ8492 (Bz=-276±19 G) 起源が不明 : accretion, wind (broad 成分 )+ 0.09G -1.7kG chromoshperic? (narrow 成分 ; TWHya で顕著 ) photosherichei + lines CaII (<16%) 光球と逆極性 HeI と同極性 強度 HeI の 16% CaII ( 残り ) CaII の一部 ( 最大 16% 程度 ) は HeI と同じ局所的な shock region 起源 揃った強い磁場 残りは広がった chromosphere 起源 = 強いが乱雑な 磁場 23

24 磁場の自転による modulation 非軸対象な磁場構造 自転による spot (HeI line) 磁場 Bz の modulation を検出 回転軸に対して傾いた磁場 DF Tau DK Tau BP Tau Prot 8.5d 8.4d 7.6d Johns-Krull et al. 2001, ASP Conf. Ser. Vol.223, 521 Bouvier et al. PPV 24

25 磁場平均強度と視線成分強度測定の比較 天体 BP Tau TW Hya Hubble 4(NTTS) Tap35(NTTS) V410 Tau (WTTS) RU Lup T Tau DK Tau DF Tau AA Tau 磁場平均強度 <B*f> 磁場視線成分強度Bz (Zeeman Broadening) (円偏光分光) 光球 光球 2.1 kg 非検出 2.6kG 2.5kG 1kG 2.4 kg 2.7 kg 2.3kG 2 kg 0.1kG その他 2.4kG (HeI; modulation) 1.7kG(HeI), 0.3kG(CaII), zero(hα) detection 0.5 < 0.1 kg 0.2kG -> 非検出 0-1kG (HeI; modulation) 0-1kG (HeI; modulation) 1-3kG (HeI; modulation) < a few x 0.1 kg HeI (spot) 2kG 光球磁場は 強い (B*f 大 ) が揃っていない (Bz 小 ) 局所的な spot で強く整列した磁場 T Tauri 型星の光球磁場は単純な dipole ではない 25

26 Section. 4 (4) まとめ 26

27 まとめ (1) 磁場の有無から強度の定量化 topology へ T Tauri 型星の磁場測定は最近 10 年で大きく進展 1980s : 磁場の有無の議論 1990s 後半 : 強度 : 磁場平均強度検出 ( 赤外高分散分光 ) 分布 : 光球 スポットごと (= スペクトル線種ごと ) の磁場視線成 分強度 高分散円偏光分光 磁場の時間変化 ( 自転に伴う変化 長期安定性 ) 磁場強度の定量化 磁場分布の議論が可能となった 27

28 まとめ (2) dipole から complex geometry field へ T Tauri 型星には強い磁場が存在 分布は複雑 光球磁場 : 強度は強い (a few kg) 大局的 dipole 磁場は 微弱 ( 0.1 kg) スポットでは強く整列した磁場 (a few kg) が存在 磁場は自転軸から傾いている場合も多い 従来の単純な dipole 理論からの発展が必要 dipole 理論と観測の矛盾 spot( a few %) aligned B 2kG photosphere misaligned B 2kG global dipole < 0.1kG 28

29 (comments: model の現状 ) 現在のモデル計算は dipole が基本 複雑な磁場への発展が期待される dipole 軸対象 Romanova et al. (2002) dipole 傾いた磁軸 Θ=15 et al.(2004a) funnel : ρ=0.2( 青 )-2.0( Romanova 赤) corona: ρ

30 今後の展開 磁場の幾何の解明 多様なスペクトル線種ごとの磁場測定 磁場分布 磁場に応じた大気構造変化を考慮した磁場入り大 気モデル 複雑な磁場を考慮した magnetospheric accretion model の確立 dipole 磁場でない場合の disk truncation が可能か? 磁場構造 がどうなるか? 各種観測を説明できるか? 質量 進化との関連 さまざまな質量 進化段階の天体の磁場測定 進化ともに磁場強度 構造はどう変化? 質量依存性は? 大口径 (8-10m 級 ) の高分散分光 偏光分光器による磁場測定例の 増加に期待 (cf. これまでの成果はほぼ 1990s までの観測 機器 ) 30

31 31

スライド 1

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