[論文レビュー] Magnetic fields in the Milky Way and other spiral galaxies

R. Beck|Oct 10, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 30

ひとこと要約

本稿は、エネルギー等分配仮定の下で、シンクロトロン偏光および回転測定を用いて、銀河系および渦巻き銀河における磁場構造を多波長電波観測から合成的にマッピングする。局所的な全磁場強度は約6 μG、規則的磁場強度は約4 μGであり、星形成暴発領域では最大50 μGに達する強い磁場が確認された。また、複雑な大規模な磁場反転や垂直成分が明らかになり、ディスクにおける四重極子的対称性と、銀河中心部またはハローにおける双極子的モードの存在を示唆している。

ABSTRACT

The average strength of the total magnetic field in the Milky Way, derived from radio synchrotron data under the energy equipartition assumption, is 6\muG locally and \simeq 10\muG at 3 kpc Galactic radius. Optical and synchrotron polarization data yield a strength of the local regular field of \simeq 4\muG (an upper limit if anisotropic fields are present), while pulsar rotation measures give \simeq 1.5\muG (a lower limit if small-scale fluctuations in regular field strength and in thermal electron density are anticorrelated). In spiral arms of external galaxies, the total [regular] field strength is up to \simeq 35\muG [\simeq 15\muG]. In nuclear starburst regions the total field reaches \simeq 50\muG. Little is known about the global field structure in the Milky Way. The local regular field may be part of a ``magnetic arm'' between the optical arms, a feature that is known from other spiral galaxies. Unlike external galaxies, rotation measure data indicate several global field reversals in the Milky Way, but some of these could be due to field distortions. The Galaxy is surrounded by a thick radio disk of similar extent as around many edge-on spiral galaxies. While the regular field of the local disk is of even symmetry with respect to the plane (quadrupole), the regular field in the inner Galaxy or in the halo may be of dipole type. The Galactic center region hosts highly regular fields of up to milligauss strength which are oriented perpendicular to the plane.

研究の動機と目的

• 電波シンクロトロンおよび偏光データを用いて、銀河系および外部の渦巻き銀河における磁場の強度と構造を特定すること。
• 電波およびガンマ線データからの磁場強度推定に用いられるエネルギー等分配仮定の信頼性を評価すること。
• 規則的および乱流磁場の大規模な形状、特に反転や垂直成分を調査すること。
• 銀河系のディスク、ハロー、核領域における磁場特性を外部銀河のそれと比較すること。
• 等分配推定値とパルサー回転測定データとの間に生じる、局所的な規則的磁場強度に関する矛盾を解消すること。

提案手法

• 408 MHzでの電波シンクロトロン放射を用いて、宇宙線と磁場のエネルギー等分配を仮定し、全磁場強度を推定する。
• 可視光、電波、ミリ波帯の偏光データを用いて、天球面上の規則的磁場の向きと強度をトレースする。
• パルサーや外部銀河からの回転測定（RM）を用いて、視線方向の規則的磁場成分を推定し、磁場反転を検出する。
• ファラデー回転および偏光の減衰効果をモデル化し、ビーム平均化および波長依存の透過率の影響を補正する。
• 多波長偏光データにファラデー位相トモグラフィーを適用し、pcからサブ-pcスケールの乱流的・異方的磁場構造を解明する。
• 銀河系の経度および緯度にわたるRMの符号パターンから、磁場対称性（四重極子対称性 vs. 双極子対称性）を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系ディスクにおける全磁場および規則的磁場の平均強度は何か？また、等分配推定値はパルサーRMデータとどのように一致するか？
• RQ2 銀河系および外部銀河におけるスパイラルアーム、星形成暴発領域、銀河中心部における磁場強度の変動はどのように変化するか？
• RQ3 銀河系で観測された磁場反転の原因は何か？また、これはグローバルな起源か、ローカルな起源か？
• RQ4 銀河系ディスクおよびハローにおける磁場の垂直構造は何か？また、縁面銀河と比較してどう異なるか？
• RQ5 偏光強度マップに観測される小スケール磁場構造（例：フィラメント、リング）は、乱流的または異方的磁場配置とどのように関係しているか？

主な発見

• シンクロトロン偏光および等分配仮定に基づき、銀河系の局所的全磁場強度は約6 μG、規則的成分は約4 μGであると判明した。
• パルサーの回転測定から得られる局所的規則的磁場の推定値は約1.5 μGにとどまり、磁場強度と電子密度の反相関フラクチュエーションによる低推定の可能性がある。
• 外部銀河のスパイラルアームでは全磁場強度が最大約35 μGに達し、核部の星形成暴発領域では最大約50 μGの磁場が観測された。
• 銀河系の厚い電波ディスクのスケール高さは約3.0 kpc（シンクロトロン）であり、等分配仮定下では全磁場スケール高さが約6 kpcに達し、垂直方向に広がった磁場構造であることが示唆された。
• 回転測定データから、局所ディスク磁場は四重極子的対称性（平面の上下で符号が同じ）を示すが、銀河中心部またはハローでは双極子的モード（符号が反対）を示す可能性がある。
• フィラメントやリングなどの小スケール構造は、偏光強度マップにのみ現れ、異方的乱流磁場やファラデーゴーストと関連している可能性が高く、完全な解釈には多波長ファラデー位相トモグラフィーが必要である。