[論文レビュー] Cosmic-ray electrons, synchrotron and magnetic fields in the Galaxy

E. Orlando, A. W. Strong+4 more|ArXiv.org|Jul 3, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、銀河系宇宙線電子、シンクロトロン放射および磁場をモデル化するためのGALPROPコードの3次元実装を提示する。これにより、拡散的電波およびガンマ線放射の自己整合的シミュレーションが可能になる。主な貢献は、Fermiガンマ線データと複数周波数の電波調査（例：Haslam 408 MHz）を同時にフィットすることであり、調整されたハローおよびディスク成分を有する軸対称スパイラル磁場モデルを用いることで、シンクロトロン強度プロファイルおよびスペクトルの改善された再現が達成された。

ABSTRACT

The cosmic-ray propagation code GALPROP has recently been enhanced in the areas of Galactic magnetic field and synchrotron radiation. A full 3D treatment is now implemented. We describe these enhancements and show applications to the interpretation of non-thermal radio surveys and gamma rays, to probe the Galactic cosmic-ray electron spectrum and magnetic fields.

研究の動機と目的

• GALPROP宇宙線伝搬コードにおける銀河磁場の3次元処理を開発し、拡散的シンクロトロン放射をよりよくモデル化すること。
• 複数周波数の電波調査とFermiガンマ線データを用いて、宇宙線電子スペクトルおよび磁場構造を同時に制約すること。
• 銀河におけるシンクロトロン強度、赤経・赤緯プロファイルおよびスペクトル指数分布の記述を改善すること。
• 現在の3次元フレームワークを拡張して、将来の偏光シンクロトロン放射のモデル化を可能にすること。
• Haslamおよび他の調査からのデータを用いて、特に408 MHzにおける観測されたシンクロトロン放射に合わせて磁場モデルをキャリブレーションすること。

提案手法

• 軸対称対数螺旋およびトロイダル／ダイポール成分を含む、完全な3次元ベクトルモデルによる定期的銀河磁場の実装。
• 高さに依存するスケール長を有する3次元スカラーランダム磁場成分の組み込み、z依存減衰則を介して調整可能。
• GALPROPからの電子エネルギー分布と全磁場（定期的＋ランダム）を用いたシンクロトロン発光度の自己整合的計算。
• ユーザー定義周波数におけるシンクロトロン強度マップの作成のため、粒子エネルギーおよび視線方向に沿った3次元グリッド上での積分。
• 観測結果との直接比較を可能にするために、(l,b)およびHEALPix形式のスカイマップ、スペクトル指数およびプロファイル図の出力。
• 複数周波数の電波データ（22 MHzから1420 MHz、WMAP）およびFermiからのガンマ線データを用いて、モデルパラメータを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GALPROPにおける3次元磁場モデルは、観測された天の川シンクロトロン放射の空間的およびスペクトル的分布を再現できるか？
• RQ2 宇宙線電子と磁場の統合モデルは、Fermiガンマ線データと複数周波数の電波調査の両方をどれほどよくフィットできるか？
• RQ3 どの磁場配置（例：スパイラル、ハロー、ランダム成分）が408 MHzにおけるシンクロトロン放射の赤緯および赤経プロファイルを最もよく再現するか？
• RQ4 定期的およびランダム磁場成分に関する異なる仮定が、予測されるシンクロトロン強度およびスペクトル指数にどのように影響するか？
• RQ5 現在の3次元GALPROPフレームワークは、低周波数における自由自由吸収を含めない状態でも、観測されたシンクロトロン放射をどれほどよく再現できるか？

主な発見

• 3次元GALPROPモデルは、Haslam調査からのデータと一致する408 MHzにおけるシンクロトロン強度プロファイルの一般的な形状を成功裏に再現した。
• 22 MHzから1420 MHzの周波数範囲にわたって、内銀河および北銀河におけるシンクロトロンスペクトルは良好に再現されたが、最低周波数帯ではまだ吸収効果がモデル化されていない。
• 局所的な定期的磁場が6 μG、ピッチ角が8.5°で、z依存のハロー成分を有する磁場モデルは、パラメータ調整後に観測された赤緯プロファイルをよく再現した。
• ディスクのランダム磁場は、ガラクティック中心半径に依存せず3 μGに設定され、ハロー成分は定期的磁場と同じ法則に従ってz方向に減少した。
• トロイダルおよびダイポール磁場成分の組み込みにより、銀河平面におけるシンクロトロン放射の空間的分布へのフィットが改善された。
• ガンマ線と電波データの同時フィットが、宇宙線電子スペクトルおよび磁場構造の両方を制約できることをモデルが示した。