[論文レビュー] A quantitative model of the FIR/radio correlation for normal late-type galaxies

U. Lisenfeld, H. J. Voelk+1 more|ArXiv.org|Mar 25, 1996

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、星間放射場エネルギー密度と磁気場エネルギー密度の線形相関に起因する、通常の後期型銀河におけるきわめてタイトでほぼ普遍的な遠赤外線(FIR)/電波相関を定量的に説明するモデルを提示する。理論的放射エネルギー生成モデルと114個の銀河のサンプルを用いて、質量星が宇宙線（電波）と紫外線放射（FIR）の両方にエネルギーを供給するため、銀河がエネルギー損失の分散を最小限に抑えるカルオリメータとしての挙動を示す。

ABSTRACT

This paper investigates the physical reasons for the existence, the tightness and the near universality of the FIR/radio correlation for late-type field galaxies. We develop theoretical models for the radio and far-infrared (FIR) emission of normal galaxies and study the influence of their main parameters on the ratio of the two emissions. In addition, data are used from a sample of 114 late-type galaxies which allow an estimate of the mean energy densities of the radiation field and the magnetic field, and of the dust opacity. These data reveal, for the first time, a reasonably good, linear correlation between the energy density of the radiation field and the energy density of the magnetic field. Furthermore we find that on average the galaxies are marginally optically thick for the non-ionizing UV light. Including their extended magnetic halos, galaxies are also found to be on average marginally optically thick regarding the radiative energy losses of the Cosmic Ray electrons. Combining these semi-empirical results with the theoretical emission models we show that in the optically thick case the linear correlation between the energy densities of the radiation field and the magnetic field is a necessary condition for the existence of the observed FIR/radio correlation. Furthermore we show that the individual dispersion of the FIR to radio continuum ratio caused by uncertainties of any single one of the parameters considered is significantly less than the empirical dispersion of the FIR/radio correlation. The radio and the FIR emission are mainly determined by their sources, i.e. massive supernova precursor stars, because galaxies act in a reasonable approximation as calorimeters for the stellar UV radiation and for the energy flux of the Cosmic Ray electrons.

研究の動機と目的

• 通常の後期型銀河で観測されるきわめてタイトなFIR/電波相関の物理的起源を説明すること。
• 銀河パラメータの変動にもかかわらずFIR/電波比が最小限の分散を示す理由を調査すること。
• 質量星がFIRおよび電波放射の主なエネルギー源として果たす役割を特定すること。
• 銀河が紫外線および宇宙線電子のエネルギー損失に対してカルオリメータとして機能するかどうかを評価すること。
• ダストの光学的厚さ、放射場、磁気場がFIR/電波比に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 質量星からのエネルギー入力をもとに、電波および遠赤外線(FIR)放射の理論的モデルを構築した。
• 後期型銀河114個のサンプルを用いて、放射場および磁気場の平均エネルギー密度を推定した。
• ダストの光学的厚さを測定し、非電離的紫外線および宇宙線電子のエネルギー損失に対する光学的厚さを評価した。
• 放射エネルギー損失の光学的厚さを評価するために、拡張した磁気場ハローを分析に組み込んだ。
• 半経験的結果と理論的モデルを統合し、放射場と磁気場エネルギー密度の相関がFIR/電波相関に必要不可欠であるかを検証した。
• 感度解析を用いて、パラメータの不確実性がFIR/電波比の分散に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 後期型銀河におけるFIR/電波相関のタイトさと普遍性を裏付ける物理的メカニズムは何か？
• RQ2 通常の後期型銀河のサンプルにおいて、放射場エネルギー密度と磁気場エネルギー密度の相関はどの程度か？
• RQ3 銀河が紫外線および宇宙線電子のエネルギー損失に対してどの程度光学的厚いか？
• RQ4 パラメータの変動にもかかわらずFIR/電波比が低分散を示す理由は何か？
• RQ5 観測されたFIR/電波相関は、放射場と磁気場エネルギー密度の線形相関の結果であるか？

主な発見

• 本研究では、後期型銀河において、星間放射場エネルギー密度と磁気場エネルギー密度の間の有意な線形相関が、初めて発見された。
• 銀河は非電離的紫外線に対してわずかに光学的厚さを持っており、星からの紫外線光が効率的に吸収・再放射されていることが示された。
• 拡張した磁気場ハローを考慮に入れると、銀河は宇宙線電子のエネルギー損失に対してもわずかに光学的厚さを持つことがわかった。
• 放射場と磁気場エネルギー密度の線形相関は、光学的厚さ領域における観測されたFIR/電波相関を成立させるために不可欠な条件である。
• 個々のパラメータの不確実性に起因するFIR/電波比の固有分散は、観測された経験的分散よりも顕著に小さく、相関が物理的に根拠を持ち、強く保たれていることを示している。
• 質量星はFIR（ダストの紫外線加熱による）および電波（超新星からの宇宙線電子による）の両方のエネルギー源として支配的であり、両エネルギーチャネルに対して効果的なカルオリメータとしての機能を果たしている。