[논문 리뷰] A quantitative model of the FIR/radio correlation for normal late-type galaxies

U. Lisenfeld, H. J. Voelk외 1명|ArXiv.org|1996. 03. 25.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 정상적인 만성성은하에서 관측되는 밀도가 높고 거의 보편적인 적외선(지역) / 라디오 상관관계를 설명하는 정량적 모델을 제시한다. 이 모델은 은하간 복사장 에너지 밀도와 자기장 에너지 밀도 사이의 선형 상관관계와 연결시켜 설명한다. 이론적 복사 모델과 114개 은하의 샘플을 사용하여, 대규모 항성들이 우주선(라디오)과 자외선 복사(지역)에 에너지를 공급함으로써 FIR/라디오 비율이 안정된다는 것을 보여주며, 은하는 에너지 손실의 산산조각나는 것을 최소화하는 칼로리미터처럼 행동한다.

ABSTRACT

This paper investigates the physical reasons for the existence, the tightness and the near universality of the FIR/radio correlation for late-type field galaxies. We develop theoretical models for the radio and far-infrared (FIR) emission of normal galaxies and study the influence of their main parameters on the ratio of the two emissions. In addition, data are used from a sample of 114 late-type galaxies which allow an estimate of the mean energy densities of the radiation field and the magnetic field, and of the dust opacity. These data reveal, for the first time, a reasonably good, linear correlation between the energy density of the radiation field and the energy density of the magnetic field. Furthermore we find that on average the galaxies are marginally optically thick for the non-ionizing UV light. Including their extended magnetic halos, galaxies are also found to be on average marginally optically thick regarding the radiative energy losses of the Cosmic Ray electrons. Combining these semi-empirical results with the theoretical emission models we show that in the optically thick case the linear correlation between the energy densities of the radiation field and the magnetic field is a necessary condition for the existence of the observed FIR/radio correlation. Furthermore we show that the individual dispersion of the FIR to radio continuum ratio caused by uncertainties of any single one of the parameters considered is significantly less than the empirical dispersion of the FIR/radio correlation. The radio and the FIR emission are mainly determined by their sources, i.e. massive supernova precursor stars, because galaxies act in a reasonable approximation as calorimeters for the stellar UV radiation and for the energy flux of the Cosmic Ray electrons.

연구 동기 및 목표

• 정상적인 만성성은하에서 관측된 밀도가 높고 거의 보편적인 FIR/라디오 상관관계의 물리적 기원을 설명하기 위해.
• 은하 파arameter의 변동에도 불구하고 FIR/라디오 비율이 최소한의 산산조각나는 현상이 나타나는 이유를 조사하기 위해.
• 대규모 항성이 FIR 및 라디오 복사의 주요 에너지원으로서의 역할을 규명하기 위해.
• 은하가 자외선 복사와 우주선 전자 에너지 손실에 대해 칼로리미터로 작용하는지 평가하기 위해.
• -dust 투과도, 복사장, 자기장이 FIR/라디오 비율에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 대규모 항성이 공급하는 에너지를 기반으로 라디오 및 적외선(FIR) 복사에 대한 이론적 모델을 개발하였다.
• 114개의 만성성은하 샘플을 사용하여 복사장 에너지 밀도와 자기장 에너지 밀도의 평균을 추정하였다.
• 먼지 투과도를 측정하고 비이온화된 자외선에 대한 광학 두께를 평가하였으며, 우주선 전자 에너지 손실을 분석하였다.
• 복사 에너지 손실 투과도 평가를 위해 분석에 확장된 자기장 허브를 통합하였다.
• 반경험적 결과를 이론적 모델과 융합하여 복사장-자기장 에너지 밀도 상관관계의 필요성을 시험하였다.
• 감도 분석을 통해 파arameter의 불확실성이 FIR/라디오 비율의 산산조각나는 데 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 만성성은하에서 FIR/라디오 상관관계가 높은 밀도와 보편성을 가지는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 정상적인 만성성은하 샘플에서 복사장 에너지 밀도와 자기장 에너지 밀도 사이의 상관관계는 어떻게 되는가?
• RQ3 은하는 어느 정도의 정도로 비이온화된 자외선 복사와 우주선 전자 에너지 손실에 대해 광학 두껍게 되어 있는가?
• RQ4 파arameter의 변동에도 불구하고 FIR/라디오 비율이 낮은 내재된 산산조각나는 현상을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ5 관측된 FIR/라디오 상관관계는 복사장과 자기장 에너지 밀도 사이의 선형 상관관계의 결과인가?

주요 결과

• 이번 연구에서 만성성은하에서 은하간 복사장 에너지 밀도와 자기장 에너지 밀도 사이의 유의미한 선형 상관관계가 처음으로 발견되었다.
• 은하는 비이온화된 자외선 복사에 대해 약간의 광학 두껍기로 작용하여 항성의 자외선 빛이 효율적으로 흡수되고 재방출됨을 시사한다.
• 확장된 자기장 허브를 고려할 경우, 은하는 우주선 전자 에너지 손실에도 약간의 광학 두껍기로 작용한다.
• 복사장과 자기장 에너지 밀도 사이의 선형 상관관계는 광학 두껍기 영역에서 관측된 FIR/라디오 상관관계를 위해 필수적인 조건이다.
• 개별 파arameter의 불확실성으로 인한 FIR/라디오 비율의 내재된 산산조각나는 정도는 관측된 경험적 산산조각나는 정도보다 크게 작으며, 이는 상관관계가 강건하고 물리적으로 타당하다는 것을 시사한다.
• 대규모 항성이 FIR(먼지의 자외선 히팅을 통한) 및 라디오(초신성으로부터 유래한 우주선 전자) 복사의 주요 에너지원이며, 은하는 둘 다에 대해 효과적인 칼로리미터로 작용한다.