[論文レビュー] M82 - A radio continuum and polarisation study I. Data reduction and cosmic ray propagation

B. Adebahr, M. Krause+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 54被引用数 43

ひとこと要約

本研究は、WSRTおよびVLAの多周波数電波連続スペクトルおよび偏光データを用いて、星形成暴走銀河M82における宇宙線の伝播および磁場を調査する。宇宙線はコア部で高いシンクロtron損失および逆コンプトン損失を受けており、4 kpcの拡張した電波ハローを説明するには、複数回の過去の星形成暴走イベントが必要である。コア部の磁場強度は98 μG、ハロー部は24 μGと推定され、磁場が銀河風によって駆動される電離ガスに固定されていることを示している。

ABSTRACT

The potential role of magnetic fields and cosmic ray propagation for feedback processes in the early Universe can be probed by studies of local starburst counterparts with an equivalent star-formation rate. Archival data from the WSRT was reduced and a new calibration technique introduced to reach the high dynamic ranges needed for the complex source morphology of M82. This data was combined with archival VLA data, yielding total power maps at 3cm, 6cm, 22cm and 92cm. The data shows a confinement of the emission at wavelengths of 3/6cm to the core region and a largely extended halo reaching up to 4kpc away from the galaxy midplane at wavelengths of 22/92cm up to a sensitivity limit of 90muJy and 1.8mJy respectively. The results are used to calculate the magnetic field strength in the core region to 98muG and to 24muG in the halo regions. From the observation of free-free losses the filling factor of the ionised medium could be estimated to 2%. We find that the radio emission from the core region is dominated by very dense HII-regions and supernova remnants, while the surrounding medium is filled with hot X-ray and neutral gas. Cosmic rays radiating at frequencies higher than 1.4 GHz are suffering from high synchrotron and inverse Compton losses in the core region and are not able to reach the halo. Even the cosmic rays radiating at longer wavelengths are only able to build up the observed kpc sized halo, when several starbursting periods are assumed where the photon field density varies by an order of magnitude. These findings together with the strong correlation between Halpha, PAH+, and our radio continuum data suggests a magnetic field which is frozen into the ionised medium and driven out of the galaxy kinematically.

研究の動機と目的

• 星形成暴走銀河M82における宇宙線の伝播および磁場構造を理解すること。
• M82の異なる領域における宇宙線の主要なエネルギー損失機構（シンクロtron、逆コンプトン）を特定すること。
• 電波連続スペクトルおよび偏光データを用いて、コア部およびハロー部の磁場強度を推定すること。
• 観測されたkpcスケールの電波ハローを説明するために、単一の星形成暴走イベントか、複数回のイベントが必要かを調査すること。
• 磁場が銀河スーパーウインズに果たす役割および、初期宇宙における銀河間媒体の磁化に与える影響を評価すること。

提案手法

• 複雑な源の形状を解像する高ダイナミックレンジを得るため、新規の校正技術を用いてアーカイブ済みWSRTデータを処理する。
• WSRTおよびVLAデータの統合により、λ3 cm、λ6 cm、λ22 cm、λ92 cmでの全パワー画像を生成する。
• 波長域にわたるスペクトル指数の分析により、宇宙線の伝播およびエネルギー損失時間スケールを推定する。
• 長波長域での自由自由吸収効果から、電離ガスの体積率（2%）を推定する。
• 電波、Hα、PAH発光の形態的比較により、磁場が電離ガスにどのように結合しているかを推測する。
• 損失時間スケールを考慮した宇宙線の脱出および伝播のモデル化により、過去の星形成暴走イベントの回数を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M82のコア部およびハロー部における宇宙線の主要なエネルギー損失機構は何か？
• RQ2 M82のコア部と拡張ハロー部における磁場強度はどのように変化するか？
• RQ3 連続的な宇宙線供給が観測されたkpcスケールの電波ハローを説明できるか、それとも複数回の噴出イベントが必要か？
• RQ4 磁場が電離ガスにどれほど固定されており、銀河外流によって駆動されているか？
• RQ5 電離ガスの体積率は何か？ また、それは自由自由吸収および電波スペクトル指数にどのように影響するか？

主な発見

• コア部ではλ3 cmおよびλ6 cmで強い電波放射が観測され、高密度のH II領域および超新星残骸に限定されている。磁場強度は98 μGである。
• 長波長（λ22 cmおよびλ92 cm）では、中面からの距離が4 kpcに達する拡張電波放射が観測され、宇宙線がハロー部へ伝播していることを示している。
• ハロー部のスペクトル指数は緩やかな勾配を示しており、シンクロtron損失および逆コンプトン損失を受ける連続的な宇宙線供給とは整合しない。
• コア部の宇宙線電子は高いエネルギー損失を受けており、その脱出は制限されている。ハロー部の広がりを説明するには、赤外線および電波の放射率が1桁の違いを示す複数回の過去の星形成暴走イベントが必要である。
• 長波長域での自由自由吸収効果から、電離ガスの体積率は2%と推定された。
• ハロー部の磁場強度は24 μGと推定され、Hα、PAH+、電波発光の観測形態の類似性から、磁場が電離ガスとともに運動的に外流されていることが示唆される。