[논문 리뷰] Cosmic rays and the magnetic field in the nearby starburst galaxy NGC 253 I. The distribution and transport of cosmic rays

V. Heesen, Rainer Beck외 2명|University of Hertfordshire Research Archive (University of Hertfordshire)|2008. 12. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 31인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 6.2 cm, 3.6 cm, 20 cm 및 90 cm 파장에서 고다이나믹스레인지 라디오 연속분포 관측을 통해 은하 NGC 253 내 우주선(CR)의 이동을 조사한다. 우주선 전자 수명과 스펙트럼 연령 분석, 척도 높이 변화를 통해 북동부 할로에서 CR의 평균 속도가 300 ± 30 km s⁻¹로 나타나 탈출 속도와 일치하며, 이는 CR에 의해 유도된 디스크 풍성의 존재를 시사한다. 반면 남서부 할로에서는 확산 운반 메커니즘이 지배적이며, 확산 계수는 2.0 ± 0.3 × 10²⁹ cm² s⁻¹로 측정되었다.

ABSTRACT

The diffusive and convective CR transport in NGC 253 from the disk into the halo is investigated using the local CR bulk speed. The connection between the CR transport and the galactic wind is outlined. We observed NGC 253 with the VLA at lambda 6.2 cm in a mosaic with 15 pointings. The missing zero-spacing flux density of the VLA mosaic was filled in using observations with the 100-m Effelsberg telescope. We also obtained a new lambda 3.6 cm map from Effelsberg observations and reproduced VLA maps at lambda 20 cm and lambda 90 cm. We find a thin and a thick radio disk with exponential scaleheights of 0.3 kpc and 1.7 kpc at lambda 6.2 cm. The equipartition total magnetic field strength between 7 micro G and 18 micro G in the disk is remarkably high. We use the spectral aging of the cosmic ray electrons (CREs) seen in the vertical profiles of the spectral index to determine a lower limit for the global CR bulk speed as (170+/-70) km/s. The linear correlation between the scaleheights and the CRE lifetimes, as evident from the dumbbell shaped halo, requires a vertical CR transport with a bulk speed of (300+/-30) km/s in the northeastern halo, similar to the escape velocity of 280 km/s. This shows the presence of a "disk wind" in NGC253. In the southwestern halo, the transport is mainly diffusive with a diffusion coefficient of (2.0+/-0.2) 10E29 cm^2 s^-1. In the northeastern halo, the CR transport is convective and more efficient than in the southwestern halo. The luminous material is transported by the disk wind, which can explain the different amounts of extra-planar HI, Halpha, and soft X-ray emission in the two halo parts. Future low-frequency radio observations will provide the data to analyze the vertical velocity profile of galactic winds.

연구 동기 및 목표

• 은하 NGC 253의 할로에서 우주선(CR)의 수직 운반 메커니즘을 조사하기 위해.
• 은하 할로의 다양한 영역에서 우주선 운반에 대해 대류 또는 확산 중 어느 것이 지배적인지를 규명하기 위해.
• 스펙트럼 연령과 척도 높이 측정을 통해 우주선 운반과 은하풍 존재를 연관지기 위해.
• 다중 파장 라디오 연속분포 데이터를 이용해 우주선 평균 속도와 확산 계수를 제약하기 위해.
• CR에 의해 유도된 역학을 통해 할로 내 비행성 수소(H I), 수소-알파(Hα), 연한 X선 방출의 비대칭 분포를 설명하기 위해.

제안 방법

• 고각해상도 및 고감도를 확보하기 위해 VLA 모자자 관측을 λ6.2 cm에서 15개의 포인팅으로 수행하였다.
• 강력한 핵점원천으로 인한 영역의 누락된 제로 간격 유량을 100m 에펠스버그 전파망원경의 단일망원경 관측을 통해 보완하였다.
• VLA 데이터를 이용해 λ20 cm 및 λ90 cm에서의 지도를 재구성하였으며, 에펠스버그 데이터에서 새로운 λ3.6 cm 지도를 확보하였다.
• 강력한 핵점원천으로 인한 고다이나믹스레인지 요구 조건을 충족하기 위해 특수한 데이터 캘리브레이션 체계를 도입하였다.
• 우주선 전자(CRE)의 스펙트럼 연령을 활용하여 수직 거리(z)에 따른 스펙트럼 기울기 변화를 통해 CRE 수명을 추정하였다.
• 수직 운반 지배를 가정할 때, 총 전력 척도 높이를 CRE 수명으로 나누어 CR 평균 속도를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 253의 할로에서 우주선 운반에 대해 대류 또는 확산 중 어느 것이 주로 지배하는가?
• RQ2 우주선 운반의 평균 속도는 얼마이며, 탈출 속도와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 왜 비행성 수소(H I), Hα, 연한 X선 방출이 북동부 할로에서 남서부 할로보다 더 두드러지게 나타나는가?
• RQ4 라디오 싱크로트론 방출의 척도 높이가 우주선 전자 수명과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 높이에 따라 관측되는 스펙트럼 기울기 변화는 싱크로트론 손실만으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 북동부 할로에서는 λ6.2 cm에서 척도 높이가 1.7 kpc인 두꺼운 라디오 디스크를 보이며, 이는 우주선 전자(CRE) 수명과 선형적으로 증가하여 수직 운반 지배를 시사한다.
• 스펙트럼 기울기는 수직 거리(z)에 따라 선형적으로 기울어지며, 강력한 싱크로트론 손실과 일치한다; 이온화 및 브레머스트랄링 손실은 무시할 수 있다.
• 북동부 할로에서의 CR 평균 속도는 300 ± 30 km s⁻¹이며, 이는 탈출 속도 280 km s⁻¹와 일치하여 중력 잠재에너지에서 탈출하는 CR에 의해 유도된 디스크 풍성임을 나타낸다.
• 남서부 할로에서는 우주선 운반이 주로 확산에 의해 지배되며, 측정된 확산 계수는 2.0 ± 0.3 × 10²⁹ cm² s⁻¹이다.
• 디스크 내 총 자기장 강도는 7–18 μG로 측정되어, 은하폭발 은하로서는 놀라울 정도로 강한 자기장을 나타낸다.
• 비행성 기체 상황(H I, Hα, 연한 X선)의 비대칭 분포는 북동부 할로에서 대류가 강화되어 더 효율적인 CR에 의해 유도된 운반 작용이 일어나기 때문에 설명된다.