[論文レビュー] Three-dimensional Tomography of the Galactic and Extragalactic Magnetoionic Medium with the SKA

J. L. Han, W. van Straten+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2014

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 12被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、パルサーの分散測定（DM）、散乱測定、および回転測定（RM）を用いて、銀河系および銀河間の磁化イオン性媒体の三次元トモグラフィーを、アレイの広帯域偏光計測とVLBIによる正確な距離測定を活用したSKA1、およびSKA2の深紫外サーベイを用いて実現することを提案する。このプロジェクトにより、銀河系における電子密度および磁場構造のマッピングが可能となり、銀河間媒体（IGM）の電子密度および磁場の調査も、銀河外パルサーとRM統計を用いて可能になる。

ABSTRACT

The magneto-ionic structures of the interstellar medium of the Milky Way and the intergalactic medium are still poorly understood, especially at distances larger than a few kiloparsecs from the Sun. The three-dimensional (3D) structure of the Galactic magnetic field and electron density distribution may be probed through observations of radio pulsars, primarily owing to their compact nature, high velocities, and highly-polarized short-duration radio pulses. Phase 1 of the SKA, i.e. SKA1, will increase the known pulsar population by an order of magnitude, and the full SKA, i.e. SKA2, will discover pulsars in the most distant regions of our Galaxy. SKA1-VLBI will produce model-independent distances to a large number of pulsars, and wide-band polarization observations by SKA1-LOW and SKA1-MID will yield high precision dispersion measure, scattering measure, and rotation measure estimates along thousands of lines of sight. When combined, these observations will enable detailed tomography of the large-scale magneto-ionic structure of both the Galactic disk and the Galactic halo. Turbulence in the interstellar medium can be studied through the variations of these observables and the dynamic spectra of pulsar flux densities. SKA1-LOW and SKA1-MID will monitor interstellar weather and produce sensitive dynamic and secondary spectra of pulsar scintillation, which can be used to make speckle images of the ISM, study turbulence on scales between ~10^8 and ~10^13 m, and probe pulsar emission regions on scales down to $\sim$10 km. In addition, extragalactic pulsars or fast radio bursts to be discovered by SKA1 and SKA2 can be used to probe the electron density distribution and magnetic fields in the intergalactic medium beyond the Milky Way.

研究の動機と目的

• 銀河系の磁化イオン性媒体の詳細な三次元モデルを構築すること。特に、銀河系ディスクおよびハロー部における電子密度および磁場構造を対象とする。
• 太陽から数キロパーセク以内の銀河系間物質（ISM）の現在の知識の限界を克服すること。特に、銀河系ハロー部における知識の不足を補完することを目的とする。
• 銀河外パルサーとRM統計を用いて、銀河間物質（IGM）の電子密度および磁場を調査すること。
• 10^8～10^13 mスケールにおける動的スペクトルおよびスキャニング測定を用いて、ISM内の乱流を研究すること。
• 銀河外源の残余RMを測定することで、宇宙網における弱い磁場を明らかにし、宇宙磁気の理解を深めること。

提案手法

• SKA1-LOWおよびSKA1-MIDを用いて広帯域偏光計測を実施し、数千本の視線に沿った高精度な分散測定（DM）、散乱測定、および回転測定（RM）を測定する。
• SKA1-VLBIを用いて、パルサーのモデルに依存しない距離を取得し、電子密度および磁場分布の三次元再構成を可能にする。
• 銀河系パルサーのDMおよびRMデータと、銀河外電波源からの前景RM推定値を組み合わせることで、銀河間物質（IGM）に起因する寄与を分離する。
• パルサースキャニングの動的スペクトルおよび二次スペクトルを用いて、ISMのスペックラ画像を生成し、10^8～10^13 mスケールでの乱流を研究する。
• 宿主銀河内の銀河外パルサーの最小DMおよび平均RMを用いて、IGMのDMおよびRMを推定し、銀河系および宿主銀河の寄与を差し引く。
• 赤方偏移が既知のクェーサーや電波源の残余RMを分析することで、宇宙網および中間構造における弱い磁場を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数千ものパルサーからの分散測定を用いて、銀河系のISMの三次元電子密度分布をどのように再構成できるか？
• RQ2 パルサーの回転測定（RM）マッピングによって、銀河系磁場のディスクおよびハロー部における空間的構造はどのように明らかになるか？
• RQ3 SKA1およびSKA2が発見した銀河外パルサーを用いて、IGMの電子密度および磁場をどの程度まで探査できるか？
• RQ4 スキャニングのダイナミクスおよび二次スペクトルは、10^8～10^13 mスケールでのイオン化ISM内の乱流をどのように明らかにするか？
• RQ5 銀河外電波源の残余RMは、宇宙網および中間銀河における弱い磁場の証拠を提供できるか？

主な発見

• SKA1は約7,000体の通常パルサーおよび900体の中間パルサーを発見すると予想され、主に銀河系ハロー部に位置するため、ISMの高精度な三次元マッピングが可能になる。
• SKA1-VLBIにより、多数のパルサーに対してモデルに依存しない距離が得られ、電子密度および磁場モデルの精度が著しく向上する。
• SKA1-LOWおよびSKA1-MIDによる広帯域偏光計測により、数千本の視線に沿った高精度なDM、散乱、RM測定が可能となり、磁化イオン性媒体の詳細なトモグラフィーが実現する。
• SKA1およびSKA2が発見した銀河外パルサーを用いて、IGMの電子密度はmin(DM_extraPSRs) − max(DM_GalacPSRs)を、IGMの磁場は⟨RM_extraPSRs⟩ − ⟨RM_BGS⟩を用いて推定できる。
• SKA1-LOWおよびSKA1-MIDの動的スペクトルにより、ISMのスペックラ画像が生成され、10^8 m～10^13 mスケールでの乱流の研究が可能になる。
• 赤方偏移が既知の銀河外源の残余RMは、宇宙網および中間構造における弱い磁場を明らかにし、検出可能なパルサーを超えた磁場マッピングの範囲を拡大する。