[論文レビュー] Extragalactic magnetism with SOFIA (SALSA Legacy Program) -- V: First results on the magnetic field orientation of galaxies

Alejandro S. Borlaff, Enrique López-Rodríguez+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、SOFIA/HAWC+を用いて14個の近傍銀河について、最初の解像度のある準赤外線(FIR)および電波(3–6 cm)偏光観測を実施し、磁界の向きを磁界ピッチ角(Ψ_B)で測定するとともに、新しい磁界整列パラメータ(ζ)を導入した。FIRで示される磁界は、特に渦巻銀河において、電波で示される磁界よりも顕著に乱流的であることが判明し、これは、密度が高くほこりを含む星形成領域が、より秩序のない磁界を示すのに対し、やや温かく密度が低いISMの状態はより秩序ある磁界を示すことを示している。

ABSTRACT

We present the analysis of the magnetic field ($B$-field) structure of galaxies measured with far-infrared (FIR) and radio (3 and 6 cm) polarimetric observations. We use the first data release of the Survey on extragALactic magnetiSm with SOFIA (SALSA) of 14 nearby ($<20$ Mpc) galaxies with resolved (5 arcsec-18 arcsec; $90$ pc--$1$ kpc) imaging polarimetric observations using HAWC+/SOFIA from $53$ to $214$ \um. We compute the magnetic pitch angle ($Ψ_{B}$) profiles as a function of the galactrocentric radius. We introduce a new magnetic alignment parameter ($ζ$) to estimate the disordered-to-ordered $B$-field ratio in spiral $B$-fields. We find FIR and radio wavelengths to not generally trace the same $B$-field morphology in galaxies. The $Ψ_{B}$ profiles tend to be more ordered with galactocentric radius in radio ($ζ_{ m{6cm}} = 0.93\pm0.03$) than in FIR ($ζ_{ m{154μm}} = 0.84\pm0.14$). For spiral galaxies, FIR $B$-fields are $2-75$\% more turbulent than the radio $B$-fields. For starburst galaxies, we find that FIR polarization is a better tracer of the $B$-fields along the galactic outflows than radio polarization. Our results suggest that the $B$-fields associated with dense, dusty, turbulent star-forming regions, those traced at FIR, are less ordered than warmer, less-dense regions, those traced at radio, of the interstellar medium. The FIR $B$-fields seem to be more sensitive to the activity of the star-forming regions and the morphology of the molecular clouds within a vertical height of few hundred pc in the disk of spiral galaxies than the radio $B$-fields.

研究の動機と目的

• 多波長偏光観測を用いて、近傍銀河における磁界構造を調査すること。
• 準赤外線(FIR)および電波(3–6 cm)波長における磁界の形態と秩序の程度を比較すること。
• 新しい磁界整列パラメータ(ζ)を用いて、全銀河半径にわたる磁界の秩序の程度を定量化すること。
• 密度が高く冷たいほこりを発する領域と、温かく拡散している領域という、異なるISM相における磁界の組織の違いを評価すること。
• FIR偏光が、電波偏光よりも銀河の噴流に沿った磁界をよりよくトレースするかどうかを同定すること。

提案手法

• 14個の近傍銀河（≤20 Mpc）について、SOFIA/HAWC+を用いて53–214 μmの解像度のある（5–18 arcsec）画像偏光データを取得した。
• ピクセルレベルの偏光位置角を用いて、銀河中心からの半径関数として磁界ピッチ角(Ψ_B)のプロファイルを計算した。
• 螺旋磁界の無秩序成分と秩序成分の比を推定するため、新しい磁界整列パラメータ(ζ)を導入した。
• 10,000回のモンテカルロシミュレーションを実行し、傾き角、傾斜角、ステークスパラメータの不確実性を、中央値Ψ_Bプロファイルおよび信頼区間（68%、95%）に伝搬させた。
• atan2法を用いて半径領域ごとにΨ_Bを平均化した：ȳΨ_B(R) = atan2(⟨cos Ψ_B⟩, ⟨sin Ψ_B⟩)，中央値推定を用いた。
• 低測定数領域による統計的バイアスを避けるため、中心2–3ビーム（4ピクセル径）を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近傍銀河において、準赤外線(FIR)でトレースされる磁界の向きは、電波(3–6 cm)波長でトレースされる磁界の向きとどのように異なるか？
• RQ2 渦巻銀河および星形成爆発銀河において、FIR磁界は電波磁界よりもどれほど乱流的であるか？
• RQ3 磁界整列パラメータ(ζ)は、FIR帯と電波帯の間で磁界の秩序の系統的差を明らかにするか？
• RQ4 FIR偏光観測は、電波観測よりも、密度が高くほこりを含み星形成が活発な領域における磁界に感度が高いか？
• RQ5 星形成爆発銀河において、FIR磁界は電波磁界よりも、銀河の噴流に沿った磁界をよりよくトレースするか？

主な発見

• FIRおよび電波偏光は、一般に同じ磁界構造をトレースするわけではなく、FIRではより複雑で乱流的な構造が示された。
• 磁界整列パラメータζは、電波6 cm磁界がより秩序ある（ζ_6cm = 0.93 ± 0.03）のに対し、FIR 154 μm磁界はやや無秩序である（ζ_154μm = 0.84 ± 0.14）ことを示した。
• 渦巻銀河では、FIR磁界は電波磁界に比べて2–75%乱流的であり、これは、密度が高く冷たいISM領域に強い無秩序成分が存在することを示している。
• 星形成爆発銀河では、FIR偏光が電波偏光よりも噴流に沿った磁界をよりよくトレースしており、FIRが噴流中のほこりを含むガス内の磁界構造に対してより感度が高いことを示唆している。
• FIR磁界は、銀河平面から約300 pc以内の星形成領域および分子雲内の局所的活動に対して、電波磁界よりも感度が高い。
• FIRでトレースされる密度が高く冷たくほこりを含む領域の磁界は、電波でトレースされるより温かく密度が低い領域の磁界よりも秩序が悪いことから、磁界の組織がISMの相に依存していることが示された。