磁気制動（天文学）

磁気制動とは、恒星の太陽風と磁場との相互作用によって恒星が角運動量を失う過程のことである。磁気制動は、恒星、特に連星の形成と進化において重要な役割を果たしている。

磁気制動は、恒星形成中の角運動量損失を説明する上で不可欠である。観測された銀河の乱流から得られた角運動量を持つ星形成分子雲の断片を考えてみよう。現在の星形成理論では、このような雲は角運動量を保存しながら平坦化して収縮するとされている。${\displaystyle L}$その過程で、雲が収縮して密度が増加すると、角速度が増加し、雲の回転速度が速くなる。磁気ブレーキを考慮しない場合、雲の大きな角運動量によって非常に大きな遠心力が生じ、星形成が制限されるという角運動量の問題が生じる。このようなシナリオでは、観測される雲の角運動量は、若い星で観測される角運動量よりも桁違いに大きくなる。^{[ 1 ]}

しかし、磁気制動の効果を考慮に入れると、この角運動量の問題は解決される。原始星雲では、重力と磁気の両方の影響が大きく、磁気制動はトルクとして働き、落下する物質から星間物質へと角運動量を伝達し、若い星の自転を減速させ、遠心力を減少させる。

磁気ブレーキは、恒星の磁場に捕捉された電離物質の結果として発生します。恒星から恒星風によって物質が放出されると、高度に電離した物質が磁力線に捕捉され、磁力線に沿って回転し始めます。磁力線の基部に沿って何らかの足元運動が誘発され、ねじれ振動または横方向振動が発生すると、磁力線の磁気張力によって、磁場から横方向に外向きにアルヴェーン波が発生します。磁場のこれらのねじれ擾乱は、電離した恒星風によって恒星半径を超えてトルクを発生させ、恒星の角速度を低下させます。^{[ 2 ] [ 3 ]}このトルクの臨界半径、アルヴェーン半径（またはアルヴェーン面）は、電離した恒星風が恒星とともに回転しなくなる点、または磁気エネルギー密度が恒星風によって運ばれる運動エネルギー密度を超える点です。^{[ 4 ]}フィギュアスケーターが腕を伸ばして減速する際にも同じ効果が利用されており、腕がレバーアームとして働き、速度を低下させる。ただし、ここでは角運動量の損失は摩擦力や空気抵抗ではなく、恒星風と磁場の分離によるものである。

イオン化された物質は太陽の磁力線に沿って移動するが、^{[ 5 ]}プラズマ中で磁力線が凍結される効果により、荷電粒子は力を受ける。${\displaystyle \mathbf {F} }$その規模:

${\displaystyle \mathbf {F} =q\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$

どこ${\displaystyle q}$料金は、${\displaystyle \mathbf {v} }$速度と${\displaystyle \mathbf {B} }$は磁場ベクトルです。この曲げ作用により、粒子は磁力線に沿って「らせん状」に回転し、磁気圧力またはエネルギー密度によって所定の位置に保持されます。${\displaystyle P_{B}}$太陽と共に固体として回転しながら：

${\displaystyle P_{B}={\frac {B^{2}}{2\mu _{0}}}}$

磁場強度は距離の3乗に反比例して減少するため、運動ガス圧が星からある距離で減少する。${\displaystyle P_{g}}$電離ガスの電離度が磁力線から離脱するのに十分な大きさである場合：

${\displaystyle P_{g}=nmv^{2}}$

どこ${\displaystyle n}$は粒子の数です。${\displaystyle m}$は個々の粒子の質量であり、${\displaystyle v}$これは太陽から遠ざかる方向の視線速度、つまり太陽風の速度です。

恒星風の高い導電率のため、太陽の外側の磁場は恒星風の質量密度と同様に半径とともに減少し、すなわち逆二乗法則に従う。^{[ 6 ]}したがって、磁場は次のように与えられる。

${\displaystyle B(r)=B_{s}{\frac {R^{2}}{r^{2}}}}$

どこ${\displaystyle B_{s}}$太陽表面の磁場と${\displaystyle R}$は半径です。物質が磁力線から離れる臨界距離は、運動圧力と磁気圧力が等しくなる距離として計算できます。$${\displaystyle P_{B}=P_{g}\implies {\frac {B(r_{c})^{2}}{2\mu _{0}}}={\frac {B_{s}^{2}R^{4}}{2\mu _{0}r_{c}^{4}}}=nmv^{2}}$$太陽の質量損失が等方的であれば、質量損失は次のようになる。${\displaystyle nm={\frac {dM/dt}{4\pi r^{2}v}}}$これを上記の式に代入し、臨界半径を分離すると、アルヴェーン半径は次のように与えられることがわかる。

$\displaystyle r_{c}=R\left({\frac {2\pi B_{s}^{2}R^{2}}{\mu _{0}v{\dot {M}}}}\right)^{1 \over 2}}$

2016年、カーネギー天文台の科学者たちは、太陽と同じような年齢の星が磁気制動理論の予測よりも速く自転していることを示唆する研究を発表した。^{[ 9 ]}この計算のために、彼らは星の表面にある黒点を特定し、星の自転とともに移動する黒点を追跡した。この方法は若い星の自転を測定するのに成功しているが、古い星の「弱まった」磁気制動を確認するのは困難であることが判明した。後者は星の黒点が少ないことで知られているからである。2021年にNature Astronomyに掲載された研究では、バーミンガム大学の研究者たちが、星震学という別のアプローチを使用して、古い星が予想よりも速く回転しているように見えることを確認した。^{[ 10 ]}彼らは、この弱まった磁気制動は、星の自転減速によってアルヴェーン半径が減少し、磁気制動トルクが減少するためだと考えている。^{[ 10 ]}

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