[論文レビュー] Limits on Magnetic Fields and Relativistic Electrons in the Coma Cluster from Multifrequency Observations

T. A. Enßlin, Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 1997

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、多重周波数の電波およびX線観測を用いて、コンア銀河団の電波ハローにおける磁界強度と相対論的電子集団を制約する。逆コンプトン散乱による宇宙マイクロ波背景および熱的X線光子の散乱をモデル化することで、中心磁界に対してB₀ > 0.3 μGの下限が得られ、最小エネルギー推定と整合的である。また、磁界が1.2 μG未満の場合、銀河団の極端な紫外線過剰が逆コンプトン散乱に起因する可能性があると示唆している。

ABSTRACT

Relativistic electrons, seen in the large diffuse radio halo of the Coma cluster of galaxies, should scatter background photons to higher energies. We calculate the inverse Compton contributions from the microwave background, from the local radiation field of elliptical galaxies and from the thermal X-ray emission of the intra cluster medium to the different observed energy bands, and draw restrictions to the shape of the spectrum of the relativistic electron population. The expected electron spectra in different halo formation models are discussed, and signatures for a future distinction of these models are presented, tracing the injection processes and the influence of optical thickness of the radio halo for very low frequency emission due to synchrotron self absorption. Some of the upper limits on the electron spectrum translate into lower limits of the halo magnetic fields, since the observed synchrotron radiation is known. Despite uncertainties in the extrapolation of the radio spectrum to lower frequencies a lower limit to the central field strength of B_o > 0.3 muG seems to be sure. This is comparable to the value resulting from minimal energy arguments. If B_o < 1.2 muG, the recently reported extreme ultraviolet excess of Coma (Lieu et al. 1996) could result from inverse Compton scattered microwave photons. Formulae for transrelativistic Thomson scattering are given in the Appendix.

研究の動機と目的

• 電波および逆コンプトン放射モデルを用いて、コンア銀河団の電波ハローにおける磁界強度の下限を特定すること。
• 観測された電波、ミリ波、X線放射に基づいて、相対論的電子エネルギー分布の形状を制約すること。
• 最近報告されたコンア銀河団における極端な紫外線過剰が、マイクロ波光子の逆コンプトン散乱によって説明可能かどうかを評価すること。
• 低周波数電波放射における自己吸収の影響と、ハロー形成モデルへのその意味を評価すること。
• スペクトルモデリングと観測的特徴を用いて、ハロー形成における異なる電子注入メカニズムを区別すること。

提案手法

• コンア銀河団のハロー内における相対論的電子による宇宙マイクロ波背景（CMB）光子の逆コンプトン散乱をモデル化する。
• 楕円銀河の局所的放射場および銀河団内物質からの熱的X線放射の寄与を含める。
• 観測されたシンクロtron放射を用いて、電子エネルギー分布および磁界強度の制約を導出する。
• 付録に提示された、超相対論的トムソン散乱の式を用いて、関連エネルギー領域での精度を向上させる。
• 観測された電波スペクトルを低周波数へ外挿し、シンクロtron自己吸収効果および光学厚さを評価する。
• 理論的予測を電波、ミリ波、X線帯域にわたる多重周波数データと比較し、さまざまなハロー形成モデルとの整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたシンクロtron放射と整合するコンア銀河団の電波ハローにおける最小磁界強度は何か？
• RQ2 コンア銀河団で観測された極端な紫外線過剰は、CMB光子の逆コンプトン散乱によって説明可能か？
• RQ3 相対論的電子エネルギースペクトルの形状が、さまざまなエネルギー帯域における予測される逆コンプトン放射にどのように影響するか？
• RQ4 低周波数電波帯域におけるシンクロtron自己吸収が、ハローのスペクトル特性の解釈にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 異なる電子注入メカニズムを区別するための、将来的な観測的特徴は何か？

主な発見

• シンクロtron放射の制約に基づき、コンア銀河団の中心磁界強度に対してB₀ > 0.3 μGの下限が確立された。
• この下限は、最小エネルギーの議論から導かれた値と整合しており、物理的に妥当であることを裏付けている。
• 磁界が1.2 μG未満の場合、最近報告されたコンア銀河団の極端な紫外線過剰は、マイクロ波光子の逆コンプトン散乱に起因する可能性がある。
• モデルは、相対論的電子スペクトルの形状が、ミリ波およびX線帯域における予測される逆コンプトン放射に顕著に影響することを示している。
• 低周波数電波帯域におけるシンクロtron自己吸収は、光学厚さ効果を引き起こし、ハローの低周波数スペクトルの解釈に影響を与える。
• 本研究では、将来的に異なる電子注入モデルを区別するための可能性のある観測的特徴——例えばスペクトルの非線形性や低周波数の折り返し点——を同定した。