[論文レビュー] The Crab Nebula at 1.3 mm: evidence for a new synchrotron component

R. Bandiera, R. Neri+1 more|ArXiv.org|Dec 19, 2001

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 15被引用数 27

ひとこと要約

本稿は、カブネビュラの1.3 mm観測を通じて、主に電波放射を発する集団とは異なる、内側領域に位置する新たなコンactなシンクロトロン成分を明らかにした。この成分はX線構造と一致する形状を示すが、電波波長では検出されない。これは、低エネルギー端が存在する相対論的電子の第二集団が存在することを示唆し、パルサー風モデルにおける粒子数と観測された放射の整合性をととのえる。フィラメントにおけるスペクトルの急峻化は、ネビュラ平均よりも強い磁場を示している。

ABSTRACT

We present the results of 1.3 mm observations of the Crab Nebula, performed with the MPIfR bolometer arrays at the IRAM 30-m telescope. The maps obtained, of unprecedented quality at these wavelengths, allow a direct comparison with high-resolution radio maps. Although the spatial structure of the Crab Nebula does not change much from radio to millimetre wavelengths, we have detected significant spatial variations of the spectral index between 20 cm and 1.3 mm. The main effect is a spectral flattening in the inner region, which can be hardly explained just in terms of the evolution of a single population of synchrotron emitting electrons. We propose instead that this is the result of the emergence of a second synchrotron component, that we have tried to extract from the data. Shape and size of this component resemble those of the Crab Nebula in X rays. However, while the more compact structure of the Crab Nebula in X rays is commonly regarded as an effect of synchrotron downgrading, it cannot be explained why a similar structure is present also at mm wavelengths, where the electron lifetimes far exceed the nebular age. Our data, combined with published upper limits on spatial variations of the radio spectral index, also imply a low-energy cutoff for the distribution of electrons responsible for this additional synchrotron component. Although no model has been developed so far to explain the details of this component, one may verify that the total number of the electrons responsible for it is in agreement with what predicted by the classical pulsar-wind models, which otherwise are known to fail in accounting for the number of radio emitting electrons. We have also detected a spectral steepening at mm wavelengths in some elongated regions, whose positions match those of radio synchrotron filaments.

研究の動機と目的

• カブネビュラにおける電波とミリ波長間のスペクトル指数の変化を調査し、複数のシンクロトロン成分の存在を検証する。
• 内側ネビュラにおける観測されたスペクトルの平坦化が、粒子の進化によって説明可能かどうかを検討し、新たな放射成分の必要性を評価する。
• スペクトル指数の空間的変化を検討し、シンクロトロンフィラメント内の磁場構造と粒子エネルギー分布を推定する。
• パルサー風モデルにおける電子数の不一致を解消するために、欠落している成分を同定すること。

提案手法

• ボロメータアレイを用いたIRAM 30-m望遠鏡を用いて、カブネビュラの高分解能1.3 mm連続スペクトル観測を実施した。
• 20 cm波長の高分解能電波マップと比較し、ネビュラ全体にわたるスペクトル指数の空間的変動を分析した。
• 空間周波数の内容に基づき、非線形反復フィルタリング手順を用いて20 cm電波マップのフィラメント成分（f）とアモルファス成分（a）を分離した。
• 抽出されたフィラメント成分を用いて、ミリ波データと比較し、フィラメントとネビュラ平均との間の磁場強度の違いを推定した。
• スペクトル指数の進化をモデル化し、新たな成分の電子エネルギー分布における低エネルギー端を同定した。
• ケネル＆コロニティ（1984）のパルサー風モデルが予測する値と照らし合わせ、新たな成分に含まれる全電子数を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.3 mmにおけるカブネビュラ内側の観測されたスペクトルの平坦化は、標準的なシンクロトロン老化によって説明可能か、それとも新たな放射成分の必要があるか？
• RQ2 粒子寿命が著しく異なるにもかかわらず、ミリ波長でのネビュラの形態的構造がX線で観測されるものと類似しているのはなぜか？
• RQ3 新たに特定されたシンクロトロン成分のエネルギー分布、特にその低エネルギー端はいかなるものか？
• RQ4 フィラメントにおけるスペクトル指数の空間的変動は、ネビュラ平均と比較して磁場が強化されていることを示唆するか？
• RQ5 新たな成分に含まれる全電子数は、他の面で電波放射を説明できないパルサー風モデルの予測と整合的か？

主な発見

• 1.3 mm波長で、カブネビュラの内側領域に新たなコンパクトなシンクロトロン成分が検出され、X線で観測される構造と一致する形状を示した。
• 20 cmから1.3 mmにかけて、内側領域におけるスペクトル指数が顕著に平坦化しており、これは標準的なシンクロトロン老化とは乖離しており、第二の放射成分の存在を要請する。
• 新たな成分には、電子エネルギー分布に低エネルギー端が存在し、全電子数がケネル＆コロニティ（1984）のパルサー風モデルと整合するのを助ける。
• 新たな成分に含まれる全電子数はモデル予測と整合的であり、長年の電波電子数の不一致を解消した。
• 細長いフィラメントにおけるミリ波領域でのスペクトルの急峻化は、周囲のネビュラ平均と比較して、磁場が強いことを示している。
• 観測されたスペクトルの不均一性は、時間変動のみでは説明できず、空間的に別個で安定した放射成分の存在を支持する。