[論文レビュー] Future Observations of Cosmic Magnetic Fields with the SKA and its Precursors

R. Beck|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2011

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ローファー（LOFAR）、アスクアップ（ASKAP）、マーカット（MeerKAT）といったSKAの先行計画を含め、深さと広域性に優れた電波サーベイによって、スケール・キロメーター・アレイ（SKA）が宇宙磁場の研究を画期的に進展させると提案している。シンクロトロン放射とファラデー回転測定値（RMs）を用いて、銀河、銀河団、および銀河間媒体における磁場を、かつてない感度と分解能でマッピングすることで、宇宙時間にわたる宇宙磁場の起源と進化を直接制約可能となる。

ABSTRACT

The origin of magnetic fields in the Universe is an open problem in astrophysics and fundamental physics. Polarization observations with the forthcoming large radio telescopes, especially the Square Kilometre Array (SKA), will open a new era in the observation of magnetic fields and should help to understand their origin. Low-frequency radio synchrotron emission, to be observed with LOFAR, MWA and the SKA, traces low-energy cosmic ray electrons and allows us to map the structure of weak magnetic fields in the outer regions and halos of galaxies, in halos and relics of galaxy clusters and in the Milky Way. Polarization at higher frequencies (1-10 GHz), to be observed with the SKA and its precursors ASKAP and MeerKAT, will trace magnetic fields in the disks and central regions of galaxies and in cluster relics in unprecedented detail. All-sky surveys of Faraday rotation measures towards a dense grid of polarized background sources with ASKAP (project POSSUM) and the SKA are dedicated to measure magnetic fields in intervening galaxies, clusters and intergalactic filaments, and will be used to model the overall structure and strength of magnetic fields in the Milky Way. "Cosmic Magnetism" is key science for LOFAR, ASKAP and the SKA.

研究の動機と目的

• 宇宙時間にわたる宇宙磁場の起源と進化を調査すること。
• 銀河、銀河団、および銀河間媒体における磁場をマッピングするための観測戦略をSKAおよびその先行計画を用いて開発すること。
• 偏光源からのRMグリッドを用いて、ミルキーウェイおよび近隣銀河における磁場構造の高精度3次元再構築を可能にすること。
• コherenecе長が数Mpc程度の大型銀河間磁場の存在を検出または制約すること。
• 深さのある全天サーベイを用いて、ダイナモ理論や原始磁場生成理論を含む理論的モデルを検証すること。

提案手法

• LOFAR、MWA、およびSKAを用いて、70–450 MHzの低周波数電波シンクロトロン放射を活用し、銀河ハローおよび銀河間フィラメント内の微弱な磁場を追跡する。
• SKA、ASKAP、MeerKATを用いて1–10 GHzの高周波数偏光観測を実施し、銀河ディスクおよび団リリーフ内の整列磁場をマッピングする。
• ASKAP（POSSUM）およびSKAを用いて、偏光背景源の高密度グリッドに向けて全天のファラデー回転測定値（RMs）サーベイを実施し、中間の磁場をマッピングする。
• SKAを用いたパルサーサーベイにより、ミルキーウェイの磁場を3次元でマッピングするため、数千件の高精度RM測定値を取得する。
• 大規模構造との相関解析およびRMパワー スペクトルの統計的解析を用いて、微弱で拡散的な銀河間磁場を検出する。
• アンテナタイプ（アパーチャアレイおよびパラボリックディッシュ）と複数のSKA周波数帯を統合し、広視野、高感度、および1秒以下（sub-arcsecond）の分解能を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低周波数シンクロトロン放射によってトレースされる、銀河ハローおよび銀河間媒体内の磁場の強さと空間的構造は何か？
• RQ2 SKAは、偏光放射およびファラデー回転を用いて、遠方銀河および団リリーフ内の整列磁場を検出・マッピングできるか？
• RQ3 深さのある全天RMサーベイ（例：POSSUMおよびSKA）は、銀河間磁場の存在およびコherenecеにどのような制約を課えるか？
• RQ4 高赤方偏移源（z ≈ 5）に向かうRMグリッドから推定される磁場強度および配置は、宇宙時間にわたってどのように進化するか？
• RQ5 RMパワー スペクトルの統計的解析といった手法により、コherenecｅ長が数Mpc程度の拡散的原始銀河間磁場を検出可能か？

主な発見

• SKAは1 GHzで1平方度あたり少なくとも1.5 × 10^7個のファラデー回転測定値を検出可能であり、平均的な源間隔は約90秒角となる。これにより、ミルキーウェイおよび中間銀河の磁場を詳細に3次元マッピング可能となる。
• ASKAPのPOSSUMサーベイは、10時間の積分あたり1平方度あたり約100件のRMを測定可能であり、ミルキーウェイおよび銀河赤外構造の磁場モデリングに高密度RMグリッドを提供する。
• SKAのパルサーサーベイは約20,000個の新しいパルサーを発見すると予想され、M31領域では10,000件を超えるRM値が得られ、銀河磁場の高精度3次元再構築が可能となる。
• RM密度が1平方度あたり約1000源に達する場合、SKAは銀河間媒体内に約0.1 nGの磁場を検出可能であり、コherenecе長は数Mpc程度である。
• コherenecе長1–3 Mpc、電子密度約10^{-5} cm^{-3}の銀河間磁場に対しては、0.1〜1 rad m^{-2}程度のファラデー回転測定値が予想され、RMデータの統計的解析により検出可能である。
• RMグリッド法により、赤方偏移z ≈ 3までの遠方銀河における数μG程度の規則的磁場を検出可能であり、これは平均場ダイナモ理論の予測と整合的である。