[論文レビュー] The Coma cluster magnetic field from Faraday rotation measures

A. Bonafede, L. Feretti+6 more|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|Feb 2, 2010

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、キロパーセクスケール分解能で観測されたバリオ・アレイ（Very Large Array）の7つの電波源からのファラデー回転測定値（RM）データを用いて、コンア銀河団内の磁場を制約した。観測されたRMマップと3次元数値シミュレーションによる磁場とを比較した結果、最良適合モデルは中心磁場強度4.7 μG、半径方向のべき乗則的勾配0.5を示し、2–34 kpcの範囲でコルモゴロフに類似したスペクトルを示すことが判明した。99%信頼水準で、3–7 μGの外側の極端な値、およびη < 0.2またはη > 1.0の値は除外された。

ABSTRACT

The aim of the present work is to constrain the Coma cluster magnetic field strength, its radial profile and power spectrum by comparing Faraday Rotation Measure (RM) images with numerical simulations of the magnetic field. We have analyzed polarization data for seven radio sources in the Coma cluster field observed with the Very Large Array at 3.6, 6 and 20 cm, and derived Faraday Rotation Measures with kiloparsec scale resolution. Random three dimensional magnetic field models have been simulated for various values of the central intensity B_0 and radial power-law slope eta, where eta indicates how the field scales with respect to the gas density profile. We derive the central magnetic field strength, and radial profile values that best reproduce the RM observations. We find that the magnetic field power spectrum is well represented by a Kolmogorov power spectrum with minimum scale ~ 2 kpc and maximum scale ~ 34 kpc. The central magnetic field strength and radial slope are constrained to be in the range (B_0=3.9 microG; eta=0.4) and (B_0=5.4 microG; eta=0.7) within 1sigma. The best agreement between observations and simulations is achieved for B_0=4.7 microG; eta=0.5. Values of B_0&gt;7 microG and &lt;3 microG as well as eta &lt; 0.2 and eta &gt; 1.0 are incompatible with RM data at 99 % confidence level.

研究の動機と目的

• ファラデー回転測定値（RM）データを用いて、コンア銀河団内の磁場の半径方向プロファイルと強度を特定すること。
• 観測データと3次元数値シミュレーションを比較することで、銀河団内磁場のスペクトルを調査すること。
• 観測されたRM統計と整合性のある磁場モデル（中心強度B₀と半径勾配η）の妥当性を検証すること。
• 統計的信頼水準を用いて、物理的に妥当とされる磁場パラメータの範囲を制約すること。
• 得られた磁場推定値が、エネルギー分配法および逆コンプトンX線法による推定値とどのように一致するかを比較すること。

提案手法

• バリオ・アレイを用いて、コンア銀河団領域の7つの電波源の高分解能（0.7 kpc）RM画像を、3.6、6、20 cmの波長で取得した。
• ファラデー回転測定値（RM）の関係式：RM ∝ ∫ nₑ(l) B∥(l) dl を用い、nₑは電子密度、B∥は視線方向成分の磁場を表す。
• 中心強度B₀と半径方向べき乗則的勾配ηを変化させた3次元ランダム磁場モデルを生成し、磁場エネルギー密度がガス密度に比例すると仮定した。
• 観測バイアス（ノイズ、ビーム畳み込み、空間サンプリング制限）を組み込んだ、これらのモデルからのRM画像をシミュレートした。
• 構造関数、自己相関関数、マルチスケール統計などの統計的手法を用い、シミュレートされたRMマップと観測されたRMマップを比較した。
• バーン則へのフィットを適用し、磁場スペクトルの最小および最大相関スケールを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファラデー回転測定値データによって制約された、コンア銀河団内の磁場の半径方向プロファイルは何か？
• RQ2 銀河団内磁場の特徴的なスペクトルは何か？ その最小および最大空間スケールは何か？
• RQ3 観測されたRM統計を最もよく再現する中心磁場強度（B₀）と半径勾配（η）の値は何か？
• RQ4 得られた磁場パラメータは、エネルギー分配法および逆コンプトンX線放射による推定値とどのように一致するか？
• RQ5 観測されたRMデータと整合しないとされる99%信頼水準でのB₀およびηの範囲は何か？

主な発見

• 最良適合磁場モデルは、中心強度4.7 μG、半径べき乗則的勾配η = 0.5を示し、シミュレーションと観測の間で最も良好な一致を示した。
• 磁場パワー・スペクトルは、最小スケール約2 kpc、最大スケール約34 kpcのコルモゴロフスペクトルでよく記述できる。
• 磁場パラメータの1σ信頼区間は（B₀ = 3.9 μG；η = 0.4）から（B₀ = 5.4 μG；η = 0.7）までであり、妥当な値に対する強い制約が得られた。
• B₀ < 3 μGまたはB₀ > 7 μG、およびη < 0.2またはη > 1.0の磁場強度・勾配は、99%信頼水準で除外された。
• 約1 Mpc³の体積平均磁場は約2 μGであり、これは、コンア電波ハローからのエネルギー分配推定値と一致しているが、仮定が異なる。
• 得られた磁場推定値は、ハードX線観測からの下限と整合性があるが、粒子分布および空間拡大の不確実性のため、ICベースの推定値については議論の余地がある。