[論文レビュー] Magnetic fields and star formation in spiral galaxies

M. Krause|ArXiv.org|Jun 12, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 29

ひとこと要約

本研究では、電波連続分光および偏光データを用いて渦巻き銀河内の磁場を分析し、全磁場および非熱的磁場の強度が星形成率（SFR）とともに非線形に増加するのに対し、規則的な磁場強度および大規模磁場構造はSFRに依存しないことを発見した。異なるSFRを示す縁側銀河では、薄いディスクおよび厚いディスクの垂直スケールヘイトがそれぞれ0.3/1.8 kpcで類似しており、全磁場強度が銀河風の速度を制御していることが示唆される。SFRではなく全磁場強度が、銀河風の速度を制御している。

ABSTRACT

The main observational results from radio continuum and polarization observations about the magnetic field strength and large-scale pattern for face-on and edge-on spiral galaxies are summarized and compared within our sample of galaxies of different morphological types, inclinations, and star formation rates (SFR). We found that galaxies with low SFR have higher thermal fractions/smaller synchrotron fractions than those with normal or high SFR. Adopting an equipartition model, we conclude that the nonthermal radio emission and the \emph{total magnetic field} strength grow nonlinearly with SFR, while the regular magnetic field strength does not seem to depend on SFR. We also studied the magnetic field structure and disk thicknesses in highly inclined (edge-on) galaxies. We found in four galaxies that - despite their different radio appearance - the vertical scale heights for both, the thin and thick disk/halo, are about equal (0.3/1.8 kpc at 4.75 GHz), independently of their different SFR. This implies that all these galaxies host a galactic wind, in which the bulk velocity of the cosmic rays (CR) is determined by the total field strength within the galactic disk. The galaxies in our sample also show a similar large-scale magnetic field configuration, parallel to the midplane and X-shaped further away from the disk plane, independent of Hubble type and SFR in the disk. Hence we conclude that also the large-scale magnetic field pattern does not depend on the amount of SFR.

研究の動機と目的

• 渦巻き銀河における磁場特性と星形成率（SFR）の関係を調査すること。
• 異なる形態およびSFRを持つ銀河において、大規模磁場構造およびディスクのスケールヘイトがどのように変化するかを特定すること。
• 観測されたスケールヘイトおよび磁場構造に基づき、銀河風がSFRではなく全磁場強度によって駆動されているかどうかを評価すること。
• 規則的な磁場および大規模磁場パターンがSFRおよびハッブル型に依存しないという仮説を検証すること。

提案手法

• 全強度および偏光強度を測定するために、複数の波長（例：3.6 cmおよび6.2 cm）における電波連続分光および線形偏光観測が用いられた。
• ファラデー回転を補正し、視線方向の磁場成分を推定するために回転量（RM）解析が適用された。
• 非熱的電波放射から全磁場強度を推定するために等エネルギーモデルが用いられた。
• 内在する偏光ベクトルおよびRMマップを用いて磁場の幾何構造が再構築され、3次元磁場構造が明らかにされた。
• 縁側銀河における電波放射のスケールヘイトを測定することで、銀河風の存在および性質を推定した。
• 11個の縁側銀河および41個の近傍渦巻き銀河に対する統計的解析が実施され、SFR、偏光度、および磁場の規則性との相関が調査された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 渦巻き銀河における全磁場強度は、星形成率（SFR）とどのように相関するか？
• RQ2 規則的な磁場の強度または構造は、SFRまたはハッブル型に依存するか？
• RQ3 縁側銀河における電波放射の垂直スケールヘイトは、SFRか全磁場強度のどちらによって決定されるか？
• RQ4 著しく異なるSFRを示す銀河が、なぜ類似した大規模磁場構造およびディスクスケールヘイトを示すのか？
• RQ5 観測されたスケールヘイトに基づき、銀河風の速度がSFRではなく全磁場強度によって制御されていると考えられるか？

主な発見

• 低SFRの銀河は、通常または高SFRの銀河と比較して、より高い熱的分率およびより低いシンクロトロン分率を示す。
• 非熱的電波放射および全磁場強度はSFRとともに非線形に増加するが、規則的な磁場強度はSFRに対して顕著な依存性を示さない。
• SFRや形態の違いにもかかわらず、4つの縁側銀河（NGC 891およびNGC 4631を含む）は、4.75 GHzにおいて、薄いディスクでは0.3 kpc、厚いディスク/ハローでは1.8 kpcというほぼ同一の垂直スケールヘイトを示している。
• 観測されたすべての銀河で、ディスクの上下にX字型の構造を示す大規模磁場が見られ、ハッブル型やSFRに依存しない。
• 全光度が2×10²¹ W Hz⁻¹を超えるより明るい銀河では偏光度が低く、これは高SFR環境での磁場の規則性が低下していることを示唆している。
• スケールヘイトおよび磁場構造の類似性から、銀河風の速度はSFRではなく全磁場強度によって制御されていることが示唆される。