[論文レビュー] HI anisotropies associated with radio-polarimetric filaments. Steep power spectra associated with cold gas

P. M. W. Kalberla, J. Kerp+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 87被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、ホロロギウムおよびオリオン座領域で観測された電波偏光による減速化管と、冷中性媒体（CNM）内の織りなすH i構造が関連付けられ、磁界の向きに沿って整列したH iパワー スペクトルの強い異方性が明らかになった。これらのスペクトルにおける急勾配のべき乗則指数は、スケールを越えた乱流的相転移を示しており、H i繊維が熱不安定性によって駆動され、磁気イオン構造に包まれている可能性を示唆している。

ABSTRACT

LOFAR detected toward 3C 196 linear polarization structures which were found subsequently to be closely correlated with cold filamentary HI structures. The derived direction-dependent HI power spectra revealed marked anisotropies for narrow ranges in velocity, sharing the orientation of the magnetic field as expected for magneto hydrodynamical turbulence. Using the Galactic portion of the Effelsberg-Bonn HI Survey we continue our study of such anisotropies in the HI distribution in direction of two WSRT fields, Horologium and Auriga; both are well known for their prominent radio-polarimetric depolarization canals. At 349 MHz the observed pattern in total intensity is insignificant but polarized intensity and polarization angle show prominent ubiquitous structures with so far unknown origin. Apodizing the HI survey data by applying a rotational symmetric 50 percent Tukey window, we derive average and position angle dependent power spectra. We fit power laws and characterize anisotropies in the power distribution. We use a Gaussian analysis to determine relative abundances for the cold and warm neutral medium. For the analyzed radio-polarimetric targets significant anisotropies are detected in the HI power spectra; their position angles are aligned to the prominent depolarization canals, initially detected by WSRT. HI anisotropies are associated with steep power spectra. Steep power spectra, associated with cold gas, are detected also in other fields. Radio-polarimetric depolarization canals are associated with filamentary HI structures that belong to the cold neutral medium (CNM). Anisotropies in the CNM are in this case linked to a steepening of the power-spectrum spectral index, indicating that phase transitions in a turbulent medium occur on all scales. Filamentary HI structures, driven by thermal instabilities, and radio-polarimetric filaments are associated with each other.

研究の動機と目的

• ホロロギウムおよびオリオン座領域における電波偏光による減速化管に関連するH i分布の空間的・スペクトル的異方性を調査すること。
• これらの異方性が冷中性媒体（CNM）内の織りなすH i繊維構造と相関しているかどうかを特定すること。
• H iフラクチュエーションのパワー スペクトルを特徴づけ、磁界の向きに対する位置角依存性を評価すること。
• 電波偏光による減速化管の起源と、乱流的で磁界を有する銀河間物質（ISM）構造との関連を探索すること。

提案手法

• EBHIS H iデータに50%のトゥーキー窓を適用し、フーリエ解析における端効果を低減すること。
• 位置角依存のパワー スペクトルを計算し、ドリフトチャンネルごとのH i分布における異方性を定量化すること。
• パワー スペクトルにべき乗則をフィットさせ、スペクトル指数を決定し、スケール依存の異方性を評価すること。
• 輝度温度プロファイルのガウス分解を用いて、冷中性媒体（CNM）および温中性媒体（WNM）の寄与を分離すること。
• WSRTおよびLOFAR観測からのH i繊維構造と偏光強度・偏光角マップを比較すること。
• 速度-位置図を分析し、速度勾配を示す一貫した傾いた2次元構造（例：シェルやシート）を追跡すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホロロギウムおよびオリオン座領域におけるH iパワー スペクトルの異方性は、電波偏光による減速化管の向きと整列しているか？
• RQ2 H iフラクチュエーションにおける急勾配のべき乗則スペクトル指数は、冷中性媒体（CNM）の繊維構造の存在と相関しているか？
• RQ3 観測されたH i分布の異方性の物理的起源は何か？磁界や乱流とどのように関連しているか？
• RQ4 速度-位置構造に基づいて、観測されたH i繊維構造が1次元の繊維ではなく、2次元のシートまたはねじれたシェルとして解釈できるか？
• RQ5 観測された電波偏光による減速化管は、ISM内の磁気イオン構造およびファラデー回転効果とどのように関連しているか？

主な発見

• ホロロギウムおよびオリオン座領域において、H iパワー スペクトルの顕著な異方性が検出され、減速化管の向きに対して垂直方向にパワーが10倍以上増幅されている。
• 異方性は磁界の向きと整列しており、特に狭帯域のドリフトチャンネルで顕著であり、MHD乱流モデルと整合的である。
• 冷中性媒体（CNM）に関連するH i構造では、急勾配のべき乗則スペクトル指数（乱流的相転移を示唆）が確認され、特に繊維状構造で顕著である。
• CNM内のH i繊維構造は、電波偏光による減速化管と空間的に相関しており、H i繊維と磁気イオン構造との間には物理的関連があると示唆される。
• 大規模なH i特徴、例えばホロロギウムにおけるアーチ状構造は、約20 km s⁻¹/度の一貫した速度勾配を示しており、1次元の繊維ではなく2次元の傾いたシートであると示唆される。
• 速度-位置図から、主な衝撃波構造と二次衝撃波構造との間のダイナミクス的相互作用が明らかとなり、乱流流体や雲の衝突によって駆動される可能性がある。これは、ISM乱流の衝撃ポンプ機構を支持する。