[論文レビュー] Extreme Scattering Events: insights into the interstellar medium on AU-scales

M. A. Walker|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、数百km/sで銀河間物質を移動する自己重力的でAUスケールの中性ガス雲を取り囲むイオン化ガスが、極端なスキャッタリングイベント（ESEs）を引き起こすと提案する。衝突圧がイオン化ガスを軸対称的なレンズ状構造に閉じ込め、磁気尾部におけるスキャッタリングが、日次変動やパルサーの放物線アーカイブといった他の異常現象を説明する。モデルは観測された光曲線を再現し、これらの雲をこれまで認識されていなかった銀河質量の主要成分として特定する。

ABSTRACT

Several radio-wave scintillation phenomena exhibit properties which are difficult to accommodate within the standard propagation model based on distributed Kolmogorov turbulence in the ionised ISM; here we discuss one such phenomenon, namely Extreme Scattering Events. By analysis of the data we demonstrate that these events are caused by ionised gas associated with self-gravitating, AU-sized gas clouds. The data also show that the ionised gas is confined by ram pressure, with the clouds moving at hundreds of km/s relative to the diffuse ISM and causing strong shocks. These conclusions are supported by a quantitative model in which heat from the shocked ISM evaporates gas from the surface of a cold cloud; this model readily explains the physical conditions which are required for Extreme Scattering and yields passable reproductions of the light-curves. The magnetotail of the cloud provides a site in which two other ``anomalous'' radio-wave propagation phenomena -- IntraDay Variability of quasars, and pulsar parabolic arcs -- can plausibly arise, thus linking three anomalous propagation phenomena in a single physical model. Locally there must be thousands of these neutral clouds per cubic parsec and by mass they are the primary constituent of interstellar matter.

研究の動機と目的

• 極端なスキャッタリングイベント（ESEs）の物理的起源を説明すること。ESEsは、標準的なコルモゴロフ乱流モデルとは一致しない強力で対称的な輝度変動を示す。
• ISM内での高圧で局所的な電子密度増加が、移動する自己重力的中性雲によって引き起こされることを特定することで、高圧で局所的な電子密度増加のパラドックスを解消すること。
• ESEs、日次変動、パルサーの放物線アーカイブという3つの異常な電波伝搬現象を、音速を超えて移動する雲の磁気尾部を含む単一の物理的モデルで統一すること。
• ESEの光曲線上で観測された対称性と輝度挙動が、鏡対称的ではなく軸対称的なレンズ幾何学を必要とすることを示すこと。
• 衝撃を受けたガスの蒸発をモデル化した流体力学的モデルを用いて、このような一時的で高圧の構造が形成され、持続可能であるためのISM内物理的条件を定量化すること。

提案手法

• 2.7 GHzおよび8.1 GHzでのQ0954+658の時間的に対称な電波光曲線の解析により、レンズ幾何学と電子密度分布を推定する。
• 輝度保存テストを用いて、軸対称的と鏡対称的なレンズモデルを区別し、ESEsでは輝度が保存されないことを示し、鏡対称性を除外する。
• 衝突圧閉じ込め理論を応用し、イオン化ガス構造の高熱的圧力と一時的性質を説明する。
• 冷たい雲表面からの熱駆動蒸発を定量的モデル化し、衝撃を受けたISMへのガス蒸発が観測されたイオン化ガス分布を生成する。
• 磁場線の引き伸ばしとプラズマの磁場線への固定をもとに、磁気尾部構造を推論し、非等方的スキャッタリングと強い位相変化を予測する。
• 非等方的スキャッタリングとスクリーン幾何学に基づき、磁気尾部の幾何学と既知の異常なスキャッタリング現象（日次変動、パルサーの放物線アーカイブ）を相関づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された時間的に対称的でレンズ状の輝度変動を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ2 ESEsは短命であるにもかかわらず、なぜ局所的で高圧のイオン化ガス領域を必要とするのか？このような構造はどのようにして維持されるのか？
• RQ3 音速を超えて移動する自己重力的雲の磁気尾部が、クェーサーの日次変動とパルサーのダイナミックスペクトルにおける放物線アーカイブの起源をどのように説明できるか？
• RQ4 観測された光曲線と輝度非対称性が、スキャッタリングスクリーンの幾何学的形状と運動にどのような制約を課えるか？
• RQ5 ESEs、日次変動、パルサーのアーカイブの共存を、雲駆動の磁気尾部構造という共通の起源によって一つの物理的モデルで説明できるか？

主な発見

• Q0954+658のESEは、鏡対称的ではなく軸対称的なイオン化ガス分布によって引き起こされており、光曲線上での輝度保存の欠如がそれを裏付けている。
• イオン化ガスはISMからの衝突圧によって閉じ込められており、雲が周囲の希薄なISMに対して数百km/sの速度で移動していることを示唆する。
• 磁気尾部は、磁場線が引き伸ばれ、プラズマが磁場線に固定される場所であり、日次変動やパルサーの放物線アーカイブを説明する強力で非等方的なスキャッタリングの可能性が非常に高い。
• 冷たい雲表面からの熱駆動蒸発を単純にモデル化したものは、観測されたESE光曲線を定量的に再現するイオン化ガス分布を生成する。
• AUスケール（約10^13 cm）で電子密度が急増（約10^16 cm^{-2}）していることから、これらの雲は局所的に高密度であり、1立方パーセクあたり数万個にのぼり、ISMの主要な質量成分であることが示唆される。
• 雲は自己重力的であり、音速を超えて移動しており、動的に顕著なダークマターに類似た銀河の成分である。