[論文レビュー] Probing Turbulence in the Interstellar Medium using Radio-Interferometric Observations of Neutral Hydrogen

Prasun Dutta|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 89被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、25個の外部銀河の星間媒体（ISM）における乱流を、中性水素（H i）の電波干渉測定を用いて調査し、強度揺動のスケールにわたるパワー・スペクトル解析を実施した。その結果、60 pcから16 kpcのスケールにわたり、パワー則的スケーリングが示された。主な発見は、パワースペクトル指数が2次元（2D）と3次元（3D）乱流領域の二重性を示しており、NGC 1058で初めてスパイラル銀河のスケール高さが450±60 pcとして直接測定されたことである。

ABSTRACT

We develop a visibility based power spectrum estimator to probe the power spectrum directly from the interferometric observations and also estimate the errors in it. A numerical simulation of synthetic observations is also performed to access the efficacy and limitations of this estimator. We use this estimator to evaluate the power spectrum of three individual spiral galaxies, a dwarf galaxy sample and THINGS * spiral galaxies. In each case, the power spectrum is found to follow a power law PHI (U) = AU α over a specific length scale range. The estimated value for the slope α ranges from ~ ~1.5 to ~ -2.6 for the sample of dwarf galaxies. We interpret this bi-modality as arising due to 2D turbulence on length scales much larger than the scale-height of the galaxy disk and 3D otherwise. The power law slope also show a weak correlation with the surface density of star formation rate for these galaxies. We found for the external spiral galaxies the power spectrum is a power law up to a length scale of 10 to 16 kpc, indicating turbulence to be operational at these large length scales. We measure the scale-height of the external nearly face-on spiral galaxy NGC 1058 to be ~ 500 pc interpreting a change in the slope observed in it's power spectrum. Power spectrum of the harassed galaxy NGC 4254 is found to be affected by galaxy harassment. For 18 spiral galaxies derived from the THINGS sample we found no correlation between the power law slope and the different dynamical parameters of these galaxies. For most of the dwarf and spiral galaxies, the intensity fluctuation power spectrum is found to be a direct probe of the density fluctuation and not affected by the velocity fluctuations in ISM. We would attempt to understand these new observations in terms of physical models of the ISM in future.

研究の動機と目的

• 外部銀河の星間媒体（ISM）における乱流の性質とスケール依存性を、電波干渉測定によるH i観測を用いて調査すること。
• スパイラル銀河および矮星銀河において、星形成率、H i質量、動力学的質量といった動力学的パラメータと乱流が相関するかどうかを特定すること。
• 特にチャンネル幅に起因する機器的および観測的効果が、H i強度揺動の測定パワー・スペクトルに与える影響を評価すること。
• NGC 4254を事例として、銀河ハラスメントがISM構造および乱流ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 将来的な次世代電波望遠鏡のキャリブレーションに適した、パワー・スペクトル推定法を確立すること。この手法はスロープに敏感であるが、振幅には依存しない。

提案手法

• VLA、GMRT、WSRTなどの電波干渉計を用いて、スパイラル銀河20個および矮星銀河5個を含む25個の銀河について、高分解能H i 21-cmラインデータを取得した。
• 60 pcから16 kpcの空間スケールにわたるH i強度揺動に対してパワー・スペクトル解析を適用し、乱流特性を定量的に評価した。
• パワー則の傾きにのみ敏感であり、振幅に依存しない新しいパワー・スペクトル推定器を用い、スケール間での一貫性ある比較を可能にした。
• チャンネル幅（Δv）がパワー・スペクトル指数に与える影響を調査し、速度揺動による汚染の程度を評価した。
• NGC 1058のパワー・スペクトルに見られる折り返し点（ブレーク）を用いて、2Dと3D乱流領域の遷移を基に、H iディスクのスケール高さを推定した。
• 銀河タイプや環境（NGC 4254のような銀河団内銀河も含む）を比較し、環境的要因がISM乱流に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部銀河におけるH i強度揺動のパワー・スペクトルは、広範な空間スケールにわたりパワー則に従うか？ これはISM乱流に何を示唆するか？
• RQ2 矮星銀河とスパイラル銀河におけるH i揺動のパワー・スペクトル指数に差異はあり、その差を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 チャンネル幅といった機器的要因が、測定されたパワー・スペクトル指数に与える影響はどの程度か？ これは、内在的な乱流とは分離可能か？
• RQ4 パワー・スペクトルのブレーク点から、銀河のH iディスクのスケール高さを推定できるか？ 他の手法と比較してどうか？
• RQ5 NGC 4254における銀河ハラスメントは、中心部と外縁部のディスク領域における乱流特性にどのように影響を及ぼすか？

主な発見

• 25個の外部銀河におけるH i強度揺動のパワー・スペクトルは、60 pcから16 kpcのスケールにわたりパワー則に従っており、銀河スケールで乱流構造を示していることが示された。
• NGC 1058のパワー・スペクトルに見られるブレーク点を用いて、H iディスクのスケール高さを450±60 pcとして推定した。これは外部スパイラル銀河における初の直接的測定である。
• 25個の銀河のうち21個では、パワー・スペクトル指数がチャンネル幅に依存しなかった。これは、速度揺動がこれらのスケールでパワー・スペクトルに顕著に影響しないことを示している。
• NGC 2403、NGC 3198、NGC 3621、NGC 4736の4つの銀河では、チャンネル幅の増大に伴いパワー・スペクトル指数が低下し、Δv ≈ 20 km s⁻¹を超えると安定化したが、銀河の速度分散とは相関は認められなかった。
• 矮星銀河では、表面星形成率とパワー・スペクトル指数との間に弱い相関が観測されたが、スパイラル銀河では同様の相関は認められなかった。
• ハラスメントを受けた銀河NGC 4254の解析から、中心部と外縁部のディスク領域で乱流ダイナミクスが顕著に異なっていることが判明し、環境要因がISM構造に影響を与えている可能性が示唆された。