[論文レビュー] Magnetic fields and star formation as seen in edge-on galaxies

M. Krause|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、電波連続スペクトルおよび偏光データを用いて縁側銀河を分析し、星形成速度（SFR）が異なるにもかかわらず、すべての銀河が類似した大規模なX字型磁場構造を示すことを示している。磁場の垂直スケールヘイツは、薄い円盤で約300 pc、厚い円盤で約1.8 kpcである。研究結果は、SFRが全磁場強度を増強するが、グローバルな磁場構造を変えるわけではないことを示しており、代わりに磁場強度によって制御される銀河風の速度が、多様なSFRを持つ銀河間で一様なスケールヘイツを説明している。

ABSTRACT

Radio continuum and polarization observations of several nearby galaxies allowed to determine their vertical scaleheights, magnetic field strengths and large-scale magnetic field patterns. They all show a similar large-scale magnetic field pattern, which is parallel to the galactic disk along the midplane and X-shaped further away from the disk plane, indepenent of their Hubble type or star formation in the disk or nuclear region. We conclude that - though a high star formation rate (SFR) in the disk increases the total magnetic field strength in the disk and the halo - the SFR does not significantly change the global field configuration nor influence the global scale heights of the radio emission. The observed similar scale heights indicate that star formation regulates the galactic wind velocities. The galactic wind itself may be essential for an effective dynamo action.

研究の動機と目的

• 縁側スパイラル銀河における磁場構造と星形成の関係を調査すること。
• 星形成速度（SFR）が大規模磁場のグローバル構造に影響を与えるかどうかを特定すること。
• 銀河風が磁場スケールヘイツを形作り、効果的なダイナモ作用を可能にする役割を調べること。
• 磁場の規則性および全強度が、さまざまな銀河タイプにおけるSFRとどのように相関するかを評価すること。
• 観測されたX字型磁場形態がダイナモ理論およびCR駆動風モデルと整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• 5つの縁側銀河における全強度および偏光を測定するため、VLAを用いた干渉計観測と、Effelsberg 100-m単一電波望遠鏡を用いた6 cm（λ6 cm）観測を統合した。
• 主にNGC 891およびNGC 5775において、大規模で秩序ある磁場構造およびパリティを推定するために、回転測定（RM）マッピングを用いた。
• 銀河平面に垂直な強度プロファイルに対する2次元ガウスフィッティングを用いて、電波放射の垂直スケールヘイツ（薄い円盤および厚い円盤）を測定した。
• エネルギー分配モデルを適用し、非熱的電波放射と磁場強度をSFRに関連づけ、関係式 $ B_t \propto \text{SFR}^{0.34\pm0.14} $ を用いた。
• シンクロtron寿命（$ \propto B_t^{-2} $）を推定することで、宇宙線の平均速度を算出し、NGC 253における銀河風速度を推定した。
• X字型磁場形態を説明するため、MHDシミュレーションおよび球形ハローと銀河風を含む平均場 $\alpha\Omega$-ダイナモモデルを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 縁側銀河における大規模磁場構造は、Hubble型や星形成速度に依存するか？
• RQ2 星形成速度がkpcスケールにおける磁場強度と規則性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 さまざまな銀河において、銀河ハロー内の電波放射および磁場の垂直スケールヘイツは、何によって決定されるか？
• RQ4 CR駆動銀河風が、観測されたX字型磁場構造と一様なスケールヘイツを説明できるか？
• RQ5 観測されたX字型磁場は平均場ダイナモ理論と整合するか？もしそうでなければ、追加の物理的メカニズムは何か？

主な発見

• Hubble型やSFRに関係なく、観測されたすべての縁側銀河が、中間面で円盤に平行な磁場とハローでX字型の磁場構造を示している。
• 薄い円盤および厚い円盤／ハローの垂直スケールヘイツは、サンプル全体で顕著に一貫しており、それぞれ平均値 $ 300 \pm 50 $ pc および $ 1.8 \pm 0.2 $ kpc であった。
• NGC 253では、シンクロtron寿命から宇宙線の平均速度が $ 300 \pm 30 $ km/s であると推定され、銀河風と整合的であり、$ v_{\text{wind}} \propto B_t^2 $ であると示唆された。
• 全磁場強度 $ B_t $ はSFRに比例して増加するが、$ \propto \text{SFR}^{0.34\pm0.14} $ である一方、NGC 4254では秩序ある磁場強度はSFRと局所的な相関を示さなかった。
• 明るい銀河（$ L_{4.8} > 2 \times 10^{21} \, \text{W Hz}^{-1} $）では、線形偏光度が4%未満であり、高SFR系において磁場の規則性が低下している可能性を示唆している。
• MHDシミュレーションおよび $\alpha\Omega$-ダイナモモデルに銀河風を組み込むことで、観測されたX字型磁場を再現でき、銀河風が効果的なダイナモ作用に不可欠である可能性が示された。