[論文レビュー] Magnetic Fields in the Large Scale Structure from Faraday Rotation measurements

A. Neronov, D. Semikoz+1 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2013

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、大規模構造（LSS）における銀河間磁場（IGMF）を解明するために、銀河赤方偏移を持つ電波源のファラデー回転測定値（RM）を分析する。赤方偏移が知られた大規模なRMカタログを用いて、平均絶対値RMと残差RM（RRM）の赤方偏移依存的増大が強く示唆され、5σの有意水準で変化なしの帰無仮説を排除した。データは、わずかに過密度なLSS領域（相関長 < 0.1 Mpc）におけるナノガウス磁場（B ≈ 2 ± 1 nG）の存在と整合的であり、これはLyα雲で強化された可能性がある。

ABSTRACT

We search for magnetic fields outside galaxies and galaxy clusters by investigating redshift evolution of Faraday rotation measures (RM) of extragalactic radio sources. Our analysis reveals a strong evidence for the redshift dependence of the mean of the absolute value of the RM. The evidence is further strengthened if the Galactic contribution to the RM is subtracted. The hypothesis of the absence of the redshift evolution of residual RM is ruled out at 5 sigma level. The observed redshift dependence of RM is consistent with the possibility of the presence of nano-Gauss strength magnetic fields with correlation length shorter than 0.1 Mpc in the weakly overdense elements of the Large Scale Structure traced by the Ly-alpha clouds.

研究の動機と目的

• 銀河外電波源のファラデー回転測定値（RM）を用いて、大規模構造（LSS）における銀河間磁場（IGMF）を検出すること。
• RMおよび残差RM（RRM）の赤方偏移による進化を、銀河系の前景寄与を補正して調査すること。
• 観測されたRMの傾向が、Lyα雲のようなやや過密度なLSS領域におけるナノガウス磁場と整合するかどうかを検証すること。
• 観測されたRMの進化と、過密度プラズマにおける磁場増幅の理論的モデルを比較することで、IGMFの強さと相関長を制約すること。
• CMB制約とRMデータとの整合性を用いて、検出された磁場の宇宙論的または天体物理学的起源の妥当性を評価すること。

提案手法

• 赤方偏移が既知のNVSS調査からの約~4×10⁴のRM測定値のサブセットを用い、銀河系の赤緯度|b| > 20°の領域に制限して、銀河系の汚染を最小限に抑える。
• 赤方偏移関数としての|RM|および|RRM|の平均値と中央値の統計的分析を実施し、赤方偏移による進化を検出する。
• Pshirkovら（2011）、Jansson＆Farrar（2012）、Oppermanら（2012）のモデルを用いて銀河系RM寄与を差し引くことで、IGMFに感受性の高い残差RMを分離する。
• モンテカルロシミュレーションを実施し、信号が空洞や低密度領域ではなく、主に過密度LSS領域（δ ~ 1–100）由来であることを検証する。
• 観測されたRMの赤方偏移進化を、B ∝ nₑ²ᐟ³に従うプラズマに閉じ込められたIGMFの理論的予測と比較する。相関長λ < 0.1 Mpcを仮定する。
• CMB制約（Planck 2013）を用いて、推定されたIGMF強度が宇宙論的に生成された磁場と整合するかどうかを検証する。特にn = 2のスペクトル指数を持つ場合を想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河外電波源のファラデー回転測定値の絶対値（|RM|）に、統計的に有意な赤方偏移依存的進化が見られるか？
• RQ2 銀河系寄与を差し引いた残差RM（RRM）は、銀河間磁場と整合する赤方偏移依存的進化を示すか？
• RQ3 観測されたRM進化は、Lyα雲のようなやや過密度なLSS領域におけるナノガウス磁場で説明可能か？
• RQ4 観測されたRMの赤方偏移依存性と整合するIGMFの推定強さと相関長は何か？
• RQ5 推定されたIGMF強度は、QCD相転移時に生成され、その後に乱流増幅を受けるモデルと整合するか、特に場の生成メカニズムが宇宙論的起源であると仮定した場合に有効か？

主な発見

• 平均絶対値RMは強い赤方偏移依存的変化を示し、5σを超える有意水準であり、非ゼロの進化が示唆される。
• 銀河系RM寄与を差し引いた残差RM（RRM）も、赤方偏移依存的進化を強く示し、帰無仮説（変化なし）は5σで否定された。
• 観測された|RM|および|RRM|の赤方偏移依存的進化は、相関長 < 0.1 Mpcを仮定した場合、大規模構造にB ≈ 2 ± 1 nGの磁場が存在することと整合的である。
• 過密度領域（δ ~ 1–100）であるLSS、特にLyα雲のような領域が、観測されたRM信号の主な寄与源であり、空洞（δ ≤ 1）は無視できるほど寄与が小さい。
• 推定されたIGMF強度は、QCD相転移に起因する残余磁場と整合的であり、特に乱流増幅とスペクトル指数n = 2を仮定した場合に強く支持される。
• Planck 2013によるCMBからのIGMF上昇限界は、RMから導かれた推定値とほぼ一致しており、今後のPlanckデータ解析によって磁場の宇宙論的起源が検証可能である可能性がある。