Precise measurements of the longitudinal magnetic

0 downloads 0 Views 74KB Size Report
Abstract. Precise longitudinal magnetic fields of Ap stars have been measured using circularly polarised spectra analyzed using the Least-Squares ...
Precise  measurements  of  the  longitudinal  magnetic  fields  of  chemically  peculiar  stars  a

a

b

S . L . S .  S h o r l i n ,  J . D .  L a n d s t r e e t ,  G . A .  W a d e ,  J . - F .  D o n a t i



a

  Department  of Physics  and  Astronomy,  The  University  of W estern  Ontario,  London,  Ontario,  Canada  N6A  3K7    Astronomy  Department,  University  of Toronto  at  Mississauga,  Mississauga,  Ontario,  Canada  L5L  1C6  c   Observatoire  Midi-Pyrenees,  14  Avenue  Edouard  Belin,  31400  Toulouse,  Prance  6

A b s t r a c t .  P re c ise  l o n g i t u d i n a l  m a g n e t i c  fie ld s  o f  A p  s t a r s  h a v e  b e e n  m e a s u r e d  u sin g  circu larly  p o la r is e d  s p e c t r a  a n a l y z e d  u s in g  t h e  L e a st- S q u a re s  D e c o n v o lu tio n  (L S D )  p r o c e d u r e .  T h e  u n c e r t a i n t i e s  a s s o c ia te d  w i t h  t h e s e  m e a s u r e m e n t s  a r e  significantly  b e t t e r  t h a n  t h o s e  ty p ic ally  achieved  u s i n g  o t h e r  m e t h o d s ,  a n d  effectively  redefine  t h e  s t a n d a r d  o f m e a s u r e m e n t s  o f t h e  l o n g i t u d i n a l  m a g n e t i c  f ie ld .  N o  significant  l o n g i t u d i n a l  fie ld  h a s  b e e n  m e a s u r e d  for  a n y  o f  2 3  A m  a n d  H g M n  s t a r s ,  i n c l u d in g  several  s t a r s  in  w h ic h  s t r o n g ,  c o m p le x  m a g n e t i c  f ie ld s  h a v e  p re v io u sly  b e e n  c la im e d .  T h e  im p lic a t io n  i s  t h a t  e i t h e r  so m e  A m  a n d  H g M n  s t a r s  e x h i b i t  m a g n e t i c  f i e l d s  w h ich  a r e  q u a l i t a tively  different  f r o m  t h o s e  d e t e c t e d  in  a n y  o t h e r  class  o f  s t a r s ,  o r  t h a t  t h e  p re v io u s  d e t e c t i o n s  a r e  s p u r i o u s .  K e y  w o r d s : 

m a g n e t i c f i e l d s , A p  a n d  B p  s t a r s 

T h e  ch em ically  p e c u l i a r  A  a n d  В  t y p e  s t a r s  h a v e 

3. M easurement  of  longitudinal  magnetic  fields 

long  b e e n  classified  i n t o  t w o  g e n e ra l  g r o u p s :  t h e 

L e a s t - S q u a r e s  D e c o n v o lu tio n  (L S D ) 

m a g n e t i c  a n d  n o n m a g n e t i c  s u b t y p e s .  S t r o n g ,  o r d e r e d 

c o r r e l a t i o n  t e c h n iq u e  w h ich  t a k e s  a d v a n t a g e  o f  the 

1 . Introduction 

is  a  cross-

m a g n e t ic  f ie ld s  h a v e  b e e n  found  a n d  m e a s u r e d  in 

sim ila r  s h a p e s  o f  s p e c t r a l  lines  a n d  t h e i r  p o la risa tio n 

t h e  A p S r C r E u ,  A p Si,  H e-weak  S iS r T i  a n d  H e -stro n g 

fe a tu r e s  t o  c o m p u t e  a v e ra g e  i n t e n s i t y  a n d  p o la risa -

s ta r s ,  w hile  f ie ld s  h a v e  n o t  ge n e ra lly  b e e n  d e t e c t e d 

t i o n  profiles  from  a  ste lla r  s p e c t r u m .  T h e  u s e  of  all 

i n  t h e  A p H g M n ,  A m ,  H e-w eak  P G a  a n d 

B o o 

t h e  lin es  in  a  s p e c t r u m  g r e a t l y  i m p r o v e s  t h e  signal-

s ta r s .  H owever,  p r o b a b l e  d e t e c t i o n s  o f  s t r o n g ,  com -

to -n o ise  r a t i o  ( S / N )  in  t h e  s t a r ' s  d eco n vo lved  Stokes 

plex m a g n e t i c  f ie ld s  in  several  A m  a n d  A p  H g M n  s t a r s 

V  profile.  T h e  m e a n  lo n g it u d in a l  m a g n e t i c  field B e

(M a th y s  &  L a n z ,  1990,  B i k m a e v  et  al.,  1998,  M a t h y s 

m a y  b e  in ferred  fro m  t h e  m e a n  S to k e s V  profile  (e.g. 

&  H u brig,  1995,  H u b r i g  et  al.,  1999)  h a ve  r e c e n t ly 

D o n a t i  et  al.,  1997).  H igh  S/N  p o l a r i s a t i o n  profiles 

been  r e p o r t e d .  T h e  f i e l d s  a r e  su g g e ste d  t o  b e  p e r h a p s 

p r o v i d e  o n e  w i t h  t h e  o p p o r t u n i t y  t o  m e a s u r e  t h e  lon-

m o re  like  th o se  o f  a c t i v e  l a t e - t y p e  s t a r s  t h a n  t h o s e  o f 

g i t u d i n a l  fie ld s  o f  m a g n e t i c  s t a r s  w i t h  v e ry  h igh  p re-

t h e  classical  m a g n e t i c  A  a n d  В  s t a r s . 

cision,  a s  well  a s  to  set  s t r i n g e n t  u p p e r  lim it s  o n  the  field s  o f  n o n m a g n e t i c  s t a r s .  T h e  t e c h n i q u e  is  most  a p p lic a b le  for  s t a r s  w i t h  m a n y  s p e c t r a l  lines,  which 

2. Observations 

in c r e a s e  t h e  effective  S/N  of  t h e  p o l a r i s a t i o n  profile.  C ircularly  p o la r is e d  (S to k e s

V )  a n d  u n p o l a r i s e d 

H ow ever,  t h e  te c h n iq u e  is  n o t  lim it e d  t o  sharp-lined 

(Stokes  J )  s p e c t r a  w e r e  o b t a i n e d  in  F e b r u a r y  1997 

s t a r s  a n d  m a y  b e  u se d  over  a  b r o a d  r a n g e  o f  vsini 

a n d  1998,  a n d  J a n u a r y  1999  u s in g  t h e  M u S iC o S 

( W a d e  et  al.,  1999,  Shorlin  et  al.,  1999). 

echelle  s p e c t r o p o l a r i m e t e r  a t t a c h e d  to  t h e  2  m  B e r n a r d  L yot  Telesco p e  a t  P ic -d u -M id i  o b servato ry.  T h i s  a p p a r a t u s  allow s  t h e  a c q u isitio n  of a  stellar  sp e c -

4.  R esults 

t r u m  t h r o u g h o u t  t h e  r a n g e  450  to  660  n m  w ith  a  r e solving  pow er  o f  a b o u t  35000.  O b se rv e d  s t a r s  in c lu d e 

4 . 1 .  M a g n e t i c  A p  s t a r s 

1 4  m a g n e t i c  A p  s t a r s ,  1 6  A m  s t a r s ,  seven  A p H g M n  s t a r s  a n d  o n e 

B o o  s t a r .  U p  t o  e igh te e n  s p e c t r a  w ere 

o b t a i n e d  for  e a c h  A p  s t a r ,  w hile  A m ,  H g M n  a n d  B o o  s t a r s  w e re  o b se rv e d  u p  t o  four  t im e s  eac h . 

T h e  l o n g i t u d i n a l  fie ld  m e a s u r e m e n t s  o b t a i n e d  for  the  cool  A p  s t a r  4 9  C a m ,  p h a s e d  a c c o r d i n g  to  t h e  4.3  d  r o t a t i o n a l  p e r i o d  a n d  c o m p a r e d  w i t h  e a rlie r  Balmer-

©  Special  Astrophysical  Observatory  of  the  Russian  AS,2000 

55 

line  Zeem an  A n a ly z e r  o b s e r v a tio n s ,  a r e  sh ow n  in  Fig.l.  T h e  i m p r o v e m e n t  in  precision  is  e v id e n t.  T h e  uncertainty  in  o u r  n e w  m e a s u r e m e n t s  r e p r e s e n t s  m o r e  than  an  o r d e r  of  m a g n i t u d e  i m p r o v e m e n t  over  t h o s e  made  w ith  t h e  B a lm e r- lin e  Z e e m a n  a n a ly z e r.  T h e  reader  is  referred  to  W a d e  et  al.  (1999)  for  t h e  details  of  field  m e a s u r e m e n t s  for  in d iv id u a l  m a g n e t i c  Ap  stars.  The  d i s t r i b u t i o n  o f  s t a n d a r d  e r r o r s  a s s o c ia te d  with  lo n gitu d in al  field  m e a s u r e m e n t s  for  o u r  s a m p le  of magnetic  Ap  s t a r s  is  sh o w n  in  F i g u r e  2.  T h i s  d istribution  im plies  a  m e d i a n  B e  u n c e r t a i n t y  of 48  G  a n d  a  standard  d e v i a t i o n  of  38  G .  O n e - h u n d r e d  fo u rteen  of  the  129  A p  s t a r  field  m e a s u r e m e n t s  h a v e  u n c e r t a i n ties  smaller  t h a n  100  G .  T h i s  s h o u ld  b e  c o m p a r e d  u n c e r t a i n t i e s  of  b e t w e e n  200  a n d  with  the  ty p ic a l  300  G  o b t a in e d  u s i n g  o t h e r  m o d e r n  lo n g it u d in a l  field  measurement  t e c h n i q u e s .  4.2.  A m  a n d  A p  H g M n  s t a r s  N o  significant  l o n g i t u d i n a l  m a g n e t i c  field  h a s  b e e n  detected  for  a n y  o f  t h e  2 3  A m  o r  H g M n  s t a r s  s t u d i e d  here  (see  T a b le  1),  i n c l u d i n g  H D  291 73,  H D  195479  and  о  Peg  ( H D  214994)  for  w h ic h  c o m p le x  fields  h a v e  previously  b e e n  c la im e d  b a s e d  on  field  d e t e c t io n s  obtained  using  o t h e r  t e c h n i q u e s  ( L a n z  &  M a t h y s ,  1993,  Mathys & L a n z , 1 990). T h e m e d i a n of t h e 1 sigm a u n c e r tainties  a sso c ia te d  w i t h  B e  m e a s u r e m e n t s  for  t h e  A m  stars  is  17  G  a n d  t h e  s t a n d a r d  d e v ia tio n  of  t h e  d istribution  is  1 6  G .  T h e  m e d i a n  s t a n d a r d  e r r o r  for  t h e  HgMn  sta rs  is  84  G  a n d  t h e  s t a n d a r d  d e v ia tio n  is  46  G .  The  m e d i a n  u n c e r t a i n t y  is  s o m e w h a t  h ig h e r  for  the  HgMn  s t a r  d u e  to  t h e  lower  line  d e n s ity  in  t h e i r  spectra  a n d  a  fain ter  a v e r a g e  m a g n i t u d e ,  as  well  as  perhaps  u n c e r t a i n t i e s  in  t h e  a b u n d a n c e  t a b l e  w h ic h  was  used  to  c r e a t e  H g M n  line  m a s k s .  Among  t h e  n o n - m a g n e t i c  s t a r s  t h e  le a st  successV ir,  t h e  single  B o o  s t a r  o b se rve d .  ful  case  was  Its  spectrum  h a s  v e ry  few  lines  w h ic h  a r e  all  q u i t e  broad.  LSD  w as  o n ly  m a r g i n a l l y  successful  in  e x t r a c t ing  mean  profiles  for  t h i s  s t a r .  Not  only  d o  t h e s e  r e s u l t s  p r o v id e  t h e  b e s t  fie ld  measurements  for  i n d i v i d u a l  A m  a n d  H g M n  s t a r s ,  they  furth erm ore  p r o v i d e  t h e  s t r o n g e s t  s t a t is t ic a l  evidence  for  t h e  a b s e n c e  of  significant  o r d e r e d  m a g n e t i c  fie ld s  in  A m  s t a r s .  T h e  s t r o n g e s t  d ip o le  fie ld s  s t a t i s tically  c o m p a tib le  w i t h  t h e  A m  s t a r  d a t a  (w ith  p o lar  strengths  o f  a r o u n d  50  G )  a r e  w eaker  t h a n  t h e  equipartition  t h r e s h o l d  (of  o r d e r  100  G ) ,  a n d  t h u s  have  m inim al  i m p a c t  o n  t h e  s t r u c t u r e  a n d  d y n a m i c s  of their  a t m o s p h e r e s . 

s t a r s .  Such  p recisio n  allows  o n e  to  d e t e r m i n e  t h e  d e ta ile d  s h a p e s  o f  fie ld  v a r i a t i o n s  a n d  p recise  r o t a t i o n a l 

5. Conclusions 

p e r i o d s  for  m a g n e t i c  A p  s t a r s .  T h e  d e t a ils  o f  t h e  d et e r m i n a t i o n s  a r e  discussed  b y  W a d e  e t  al.  (1 999). 

LSD  Stokes V  profiles  m a y  be  u se d  to  infer  very 

T h e  n o n - d e t e c t i o n  o f t h e  l o n g i t u d i n a l  fie ld s  o f a n y 

precise  lo n g itu d in a l  m a g n e t i c  fields  for  m a g n e t i c  Ap 

of  23  A m  or  H g M n  s t a r s  is  c e r t a i n l y  significant.  Since 

56 

very  c o m p le x  fields  a r e  d e t e c t e d  in  l a t e - t y p e  s t a r s  u s-

effectiveness  of  u n p o l a r i s e d  t e c h n i q u e s .  W e  would 

ing  t h e  L S D  t e c h n i q u e  ( D o n a t i ,  1998),  o u r  r e s u l t s 

th erefo re  a d v ise  a  d e g r e e  of  c a u t i o n  be  a d o p t e d  when 

a p p e a r  in c o n s is t e n t  w ith  t h e  c la im s  o f  s t r o n g ,  com -

i n t e r p r e t i n g  f i e l d  d e t e c t i o n s  o b t a i n e d  u sin g  these 

p lex  m a g n e t i c  fie ld s  in  t h e  p h o t o s p h e r e s  o f  t h e  A m 

m e t h o d s . 

a n d  H g M n  s t a r s .  I n  p a r t i c u l a r ,  o u r  r e s u l t s  c o r r o b o r a t e  n e i t h e r  t h e  d e t e c t i o n s  o f  f ie ld s  in  H D  2 9 1 7 3  a n d  H D  195479  b y  L a n z  &  M a t h y s  (1993)  n o r  t h e  d e t e c tio n  in  о  P e g  by  M a t h y s  &  L a n z  (1 9 9 0 ).  T h e i r  d et e c t io n s  w ere  b a s e d  o n  m e a s u r e m e n t s  o f  t h e  s u b t l e  Z e e m a n  b r o a d e n i n g  a n d  d e s a t u r a t i o n  o f  unpolarised  s p e c t r a l  lines  in  t h e  p r e s e n c e  of  a  m a g n e t i c  field.  H owever,  all  o b s e r v a t io n s  c a n  p r o b a b l y  b e  re c o n ciled  if  w e  a s s u m e  t h a t  t h e  fie ld s  o f  t h e  A m  s t a r s  a r e  highly  c o m p le x  ( m o r e  c o m p le x  t h a n  t h e  so lar  f i e l d ,  re s u ltin g  in  very  efficient  c a n c e l l a t i o n  of  t h e  lo n g itu d in al  f i e l d  over  t h e  ste lla r  surface)  w h ile  a t  t h e  s a m e  t i m e  very  s t r o n g  (several  k G  i n  s t r e n g t h ,  i n  o r d e r  t o  b e  c o n siste n t  w ith  t h e  o b s e r v a t io n s  o f  L a n z  к  M a t h y s  (1993)  a n d  M a t h y s  к  L a n z  ( 1 9 9 0 ) ) .  O n  t h e  o t h e r  h a n d ,  i t  i s  i m p o r t a n t  t o  k eep  i n  m i n d  t h a t  t h e  d e t e c tio n  of  w eak  m a g n e t i c  fields  u s in g  u n p o l a r i s e d  s p e c t r a  i s  s o m e w h a t  a m b i g u o u s ,  a n d  s u s c e p t ib le  t o  s y s t e m a tic  e r r o r s  ( p a r t i c u l a r l y  d u e  t o  line  b l e n d s ) .  T h e re fo re  o u r  n e w  o b s e rv a tio n s ,  w h ic h  a r e  b y  th e m s e lv e s  consiste n t  w i t h  t h e  a b s e n c e  o f  fie ld s  in  A m  s t a r s ,  m a y  well  p r o v id e  i n s t e a d  a n  i n d e p e n d e n t  e v a l u a t i o n  o f  t h e 

R eferences  Abt  H.A.,  Morrell  N.L,  1995,  Astrophys.  J.  Suppl.  Ser.,  9 9 , 1 3 5  Bikmaev  I.F .,  M usaev  F.A.,  G alazutdinov  G.,  Savanov  I.S.,  Savel'eva  Y.Y.,  1998,  Astronomy  Reports,  7 5 ,  N1  Donati  J . - F . ,  1999,  Mon.  N ot.  R .  Astron.  S o c ,  3 0 2 , 457  Donati  J . - F . ,  Semel  M.,  Del  Того  Iniesta  J.C .,  1990,  Astron.  Astrophys., 2 3 3 ,  1 7  Donati  J . - F . ,  Semel  M.,  C arter  B.D.,  Rees  D.E.,  Cameron  A.C.,  1997,  Mon.  N ot.  R .  Astron.  S o c ,  2 9 1 ,  658  Hubrig  S.,  Castelli  F .,  W ahlgren  G.M.,  1999,  Astron.  Astrophys., 3 4 6 ,  139  Lanz  Т.,  M athys  G.,  1993,  Astron.  Astrophys.,  2 8 0 ,  486  M athys G.,  H ubrig S.,  1995,  Astron.  Astrophys.,  2 9 3 ,  810  M athys  G.,  Lanz  Т.,  1990,  Astron.  Astrophys.,  2 3 0 ,  L21  Shorlin S.L.S.,  W ade G.A.,  Landstreet J .D .,  D onati J . - F . ,  1999,  Mon.  N ot.  R.  Astron.  S o c ,  in  preparation  W ade G.A.,  D onati  J . - F . ,  Landstreet  J .D ., Shorlin  S.L.S.,  1999,  Mon.  N ot.  R.  Astron.  S o c ,  in  press