[論文レビュー] High-resolution radio continuum survey of M33 II. Thermal and nonthermal emission

F. S. Tabatabaei, R. Beck+5 more|ArXiv.org|Aug 20, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 35被引用数 52

ひとこと要約

本研究では、M33における熱的（自由-自由）および非熱的（磁気圏）電波放射を分離するための新規手法を提示する。この手法では、減光補正済みHα放射をテンプレートとして用い、非熱的スペクトル指数の最初の高解像度マップを可能にする。主な結果として、相対論的電子が星形成領域からアーム間領域へ拡散する過程でエネルギーを失い、R ≈ 4.5 kpc以降では非熱的放射が支配的であることが示された。

ABSTRACT

We determine the variation in the nonthermal radio spectral index in the nearby spiral galaxy M33 at a linear resolution of 360 pc. We separate the thermal and nonthermal components of the radio continuum emission without the assumption of a constant nonthermal spectral index. Using the Spitzer FIR data at 70 and 160 $μ$m and a standard dust model, we deredden the H$α$ emission. The extinction corrected H$α$ emission serves as a template for the thermal free-free radio emission. Subtracting from the observed 3.6 cm and 20 cm emission (Effelsberg and the VLA) this free-free emission, we obtain the nonthermal maps. A constant electron temperature used to obtain the thermal radio intensity seems appropriate for M~33 which, unlike the Milky Way, has a shallow metallicity gradient. For the first time, we derive the distribution of the nonthermal spectral index across a galaxy, M33. We detect strong nonthermal emission from the spiral arms and star-forming regions. Wavelet analysis shows that at 3.6 cm the nonthermal emission is dominated by contributions from star-forming regions, while it is smoothly distributed at 20 cm. For the whole galaxy, we obtain thermal fractions of 51% and 18% at 3.6 cm and 20 cm, respectively. The thermal emission is slightly stronger in the southern than in the northern half of the galaxy. We find a clear radial gradient of mean extinction in the galactic plane. The nonthermal spectral index map indicates that the relativistic electrons suffer energy-loss when diffusing from their origin in star-forming regions towards interarm regions and the outer parts of the galaxy. We also conclude that the radio emission is mostly nonthermal at R $>$ 5 kpc in M33.

研究の動機と目的

• 定常な非熱的スペクトル指数を仮定せずに、M33における熱的および非熱的電波放射を正確に分離すること。
• 非熱的スペクトル指数の空間的変動を調べることで、宇宙線電子の起源および伝播を解明すること。
• Spitzerの70および160 μmデータを用いてダスト減光を補正し、Hα放射の推定を改善すること。
• 標準的手法が定常な非熱的スペクトル指数を仮定するため生じる、熱的分率推定の不一致を解消すること。
• 銀河の渦巻き構造に沿った半径方向および方位角方向の非熱的放射およびスペクトル指数の変動を分析すること。

提案手法

• Spitzerの70および160 μm画像を用いてダスト減光をモデル化し、Hα放射のダスト吸収を補正する。
• 一定の電子温度（8000–10,000 K）を仮定して、減光補正済みHαマップから熱的自由-自由電波放射を導出する。
• 観測された3.6 cmおよび20 cm電波マップ（EffelsbergおよびVLAより）からモデル化された熱的放射を差し引くことで、非熱的放射を分離する。
• 3.6 cmおよび20 cmの非熱的成分間の輝度比にフィットして、非熱的スペクトル指数マップを構築する。
• ウェーブレット解析を用いて、異なる波長における非熱的放射の空間的構造を比較する。
• 半径方向および方位角方向のプロファイルを用いて、新規手法と標準的な定常スペクトル指数アプローチを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非熱的スペクトル指数はM33全体でどのように変化し、これは宇宙線電子のエネルギー損失をどのように示唆するか？
• RQ2 特に渦巻きアームおよびアーム間領域において、M33における熱的および非熱的電波放射の真の分布は何か？
• RQ3 標準的手法が非熱的スペクトル指数を定常と仮定する場合、熱的分率推定にどのような影響を与えるか？
• RQ4 ダスト減光がHαベースの熱的放射テンプレートをどの程度バイアスさせるか、そしてどのように補正できるか？
• RQ5 M33のどの領域で非熱的放射が全電波放射を支配するか、そしてこれは宇宙線伝播にどのような意味を持つか？

主な発見

• 非熱的スペクトル指数は、星形成領域ではαₙ ≈ 0.6 ± 0.1から、アーム間および外縁領域ではαₙ ≈ 1.2 ± 0.2に増加し、拡散過程でのエネルギー損失を示している。
• 3.6 cmでは熱的分率が51% ± 4%、20 cmでは18%であり、南北に顕著な非対称性（北：47%、南：53%）が見られる。
• 標準的手法では熱的分率が過大評価され（3.6 cmで63% ± 5%）、一方で新規手法では不確実性が17%にまで低減された。
• 非熱的放射は熱的放射よりも滑らかに分布しており、指数的スケール長さは2倍以上大きい。
• 非熱的スペクトル指数マップから、全電波放射が銀河中心からの半径R > 4.5 kpcで非熱的放射に支配されることが明らかになった。
• ウェーブレット解析から、3.6 cmにおける非熱的放射は主に離散的な星形成領域に起因するが、20 cmではより滑らかに分布していることが示された。