[論文レビュー] Kinematics and Dynamics of kiloparsec-scale Jets in Radio Galaxies with SKA

R. A. Laing|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ストokesI、Q、Uの偏光放射画像を用いて、相対論的で本質的に対称な流れをモデル化することで、電波銀河におけるキロパーセクスケールのジェットの運動学的・力学的性質を、アストロノミカル・サブミリ波長電波望遠鏡（SKA）を用いて測定することを提案する。SKA1-MIDは弱フレーバーのジェットの大規模サンプル研究を可能にし、一方SKA2は、高速スピンと磁気的閉じ込めの有無を検証するための高解像度・高忠実度の強フレーバーのジェットの画像化に不可欠である。

ABSTRACT

We explore the use of SKA to deduce the physical parameters of kiloparsec-scale jet flows in radio galaxies. Jets in Active Galactic Nuclei are relativistic where they are first formed, but their speeds and compositions change as they propagate. It has long been known that kiloparsec-scale jets in radio galaxies can be divided into two flavours: strong (found in powerful sources, narrow and terminating in compact hot-spots) and weak (found in low-luminosity sources, geometrically flaring, unable to form hot-spots and terminating in diffuse lobes or tails). We have developed methods to model AGN jets as intrinsically symmetrical, relativistic flows by fitting to deep, well-resolved radio images in Stokes I, Q and U. This has yielded a wealth of information about the brightest few weak-flavour jets. Our first key objective is to observe large samples of weak and transition jets at 0.1 - 0.5 arcsec resolution with SKA1-MID. This would allow us to see how jet propagation depends on power and environment and to quantify the energy and momentum input into the IGM. We will require typical noise levels of 1 microJy/beam, and may be able to exploit survey imaging in some cases. Our second, more challenging, application is to determine the velocity fields in strong-flavour jets. Do they have very fast spines with bulk Lorentz factors of 5 - 10? Is there evidence for magnetic confinement by a toroidal field? What are their energy fluxes? This is a major imaging challenge for SKA2: we need resolution better than 0.05 arcsec, ideally in the 1 - 10 GHz frequency range, with rms noise levels of roughly 10 nJy/beam and extremely high dynamic range, imaging fidelity and polarization purity.

研究の動機と目的

• SKA1-MIDを用いて、弱フレーバーのジェットの現在のモデリングを大規模なサンプルに拡張し、ジェットの伝播およびIGMへのエネルギー入力に関する統計的分析を可能にする。
• 強フレーバーのジェットの速度構造に関する長年の不確実性を解消し、特に超相対論的スピン（Γ ≈ 5–10）が遅いシェーシュフローに取り囲まれているかどうかを検証する。
• 磁場、外部環境、ジェットの組成がkpcスケールでのジェット形態と進化に果たす役割を特定する。
• ジェットのエネルギーおよび運動量フラックスを定量化し、IGMへの影響、特に加熱および磁場構造の変化を評価する。
• SKA2による高ダイナミックレンジ・偏光感受性画像化を用いて、ジェット加速および閉じ込めの競合するモデルを検証する。

提案手法

• ストークスI、Q、Uの観測画像にフィットさせることで、ジェットの速度場、幾何学的構造、三次元磁場トポロジーを推定する、本質的に対称的で相対論的流れとしてkpcスケールのジェットをモデリングする。
• 偏光の相対論的歪み効果を応用し、接近ジェットと遠方ジェットの間の総強度および線形偏光の非対称性から、ジェットのバルクローレンツ因子および傾斜角を独立して測定する。
• 軸対称的で定常的な流れを仮定し、平均的対称性を用いて、高解像度で十分に解像された電波データを用いて、速度場、質量フラックス、混合率を導出する。
• 強フレーバー源の微弱な反ジェットを画像化するため、10⁷:1以上のダイナミックレンジ、0.05弧秒未満の解像度、10 nJy/beam未満のrmsノイズを要件とする。
• 弱フレーバーのジェット研究のため、SKA1-MID（0.1–0.5弧秒解像度、1 μJy/beamノイズ）のサーベイ画像および深紫外観測を活用する。
• VLBIの固有運動データおよびX線観測を制約条件として用い、ジェットのローレンツ因子および放射メカニズムに関するモデル予測を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱フレーバーのジェットにおける速度場は何か？ そして、ジェットの減速、明るさの変化、ファナロフ＝ライスン二分法とどのように関係しているか？
• RQ2 異なるジェットタイプにおいて、AGNからの距離に応じてジェットの組成（質量フラックス、混合率）はどのように変化するか？
• RQ3 kpcスケールでの磁場トポロジー（秩序的対比して無秩序的）は何か？ そして、それがジェットのコリメーションと安定性にどのように影響するか？
• RQ4 ジェットの伝播および閉じ込めは、密度、圧力、磁化度などの外部環境条件にどの程度依存しているか？
• RQ5 強フレーバーのジェットは超相対論的スピン（Γ ≈ 5–10）を有しており、そのコリメーションは磁気的閉じ込めか外部圧力によって維持されているか？

主な発見

• SKA1-MIDは、0.1–0.5弧秒解像度および1 μJy/beamノイズで、弱フレーバーのジェットの大規模サンプル研究を可能にし、IGMへのエネルギーおよび運動量の入力の統計的評価が可能になる。
• SKA2は、0.05弧秒未満の解像度および10 nJy/beamノイズを達成する必要があり、強フレーバー源における微弱な反ジェットの画像化とモデリングを可能にし、10⁷:1以上のダイナミックレンジを実現する。
• NGC 6251の遷移ジェットのモデリングは、ジェット断面に強い速度勾配があることを示唆しており、その証拠として側面比画像が得られた。
• VLBIの固有運動測定から、pcスケールのジェットではローレンツ因子がΓ ≈ 40に達することが示唆され、kpcスケールで著しい減速が生じるには、破壊を伴わない限り不自然である。
• 延長ジェットにおけるX線放射は、逆コンプトン散乱によるものであると仮定するなら、大きなバルクローレンツ因子（Γ ≳ 10）を要するため、超相対論的成分の存在を支持する。
• 3C 334の反ジェットは、約0.05弧秒の解像度および10 nJy/beam未満のノイズが必要であり、線形偏光での画像化とモデリングが可能になるが、これはSKA2ですら挑戦的な課題である。