[논문 리뷰] HI anisotropies associated with radio-polarimetric filaments. Steep power spectra associated with cold gas

P. M. W. Kalberla, J. Kerp외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 18.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 87인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 호로로지움과 아우리가 은하계에서 관측된 라디오-편광 분포 캐널과 냉각 중성 매질(CNM) 내 필라멘터리 H i 구조를 연결지어, 자기장 방향에 따라 정렬된 H i 파wer 스펙트럼의 강한 이방성과 이를 통해 스케일에 걸쳐 난류 상전이가 일어나고 있음을 밝혀냈다. 이러한 스펙트럼의 급격한 힘 법칙 기울기는 H i 필라멘터리 구조가 열 불안정성에 의해 구동되고, 자기장 구조에 감싸여 있음을 시사한다.

ABSTRACT

LOFAR detected toward 3C 196 linear polarization structures which were found subsequently to be closely correlated with cold filamentary HI structures. The derived direction-dependent HI power spectra revealed marked anisotropies for narrow ranges in velocity, sharing the orientation of the magnetic field as expected for magneto hydrodynamical turbulence. Using the Galactic portion of the Effelsberg-Bonn HI Survey we continue our study of such anisotropies in the HI distribution in direction of two WSRT fields, Horologium and Auriga; both are well known for their prominent radio-polarimetric depolarization canals. At 349 MHz the observed pattern in total intensity is insignificant but polarized intensity and polarization angle show prominent ubiquitous structures with so far unknown origin. Apodizing the HI survey data by applying a rotational symmetric 50 percent Tukey window, we derive average and position angle dependent power spectra. We fit power laws and characterize anisotropies in the power distribution. We use a Gaussian analysis to determine relative abundances for the cold and warm neutral medium. For the analyzed radio-polarimetric targets significant anisotropies are detected in the HI power spectra; their position angles are aligned to the prominent depolarization canals, initially detected by WSRT. HI anisotropies are associated with steep power spectra. Steep power spectra, associated with cold gas, are detected also in other fields. Radio-polarimetric depolarization canals are associated with filamentary HI structures that belong to the cold neutral medium (CNM). Anisotropies in the CNM are in this case linked to a steepening of the power-spectrum spectral index, indicating that phase transitions in a turbulent medium occur on all scales. Filamentary HI structures, driven by thermal instabilities, and radio-polarimetric filaments are associated with each other.

연구 동기 및 목표

• 호로로지움과 아우리가 은하계에서 관측된 라디오-편광 분포 캐널과 관련된 H i 분포의 공간적 및 스펙트럼적 이방성에 대해 조사한다.
• 이러한 이방성이 냉각 중성 매질(CNM) 내 필라멘터리 H i 구조와 상관이 있는지 확인한다.
• H i 변동의 파워 스펙트럼을 특성화하고, 자기장 방향에 대한 위치각에 따른 의존성을 평가한다.
• 라디오-편광 캐널의 기원과 난류적, 자기장이 작용하는 은하간 매질(ISM)의 구조와의 관계를 탐색한다.

제안 방법

• EBHIS H i 데이터에 50% 투키 아포다이제이션 윈도우를 적용하여 푸리에 분석에서의 가장자리 효과를 줄인다.
• 위치각에 따라 가변하는 파워 스펙트럼을 계산하여 속도 채널 전역에서 H i 분포의 이방성을 정량화한다.
• 파워 스펙트럼에 힘 법칙을 피팅하여 스펙트럼 기울기를 결정하고 스케일 의존적 이방성을 평가한다.
• 빛의 세기 온도 프로파일의 가우시안 분해를 통해 냉각(CNM) 및 따뜻한(WNM) 중성 매질의 기여를 분리한다.
• WSRT 및 LOFAR 관측에서의 H i 필라멘터리 구조와 투과도 및 편광 각도 맵을 비교한다.
• 속도-위치도를 분석하여 속도 기울기가 있는 일관된 기울어진 2차원 구조(예: 쉘 또는 시트)를 추적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 호로로지움과 아우리 은하계에서 H i 파워 스펙트럼의 이방성은 라디오-편광 분포 캐널의 정렬 방향과 일치하는가?
• RQ2 H i 변동에서 관측된 급격한 힘 법칙 기울기는 냉각 중성 매질(CNM) 필라멘터리 구조의 존재와 상관이 있는가?
• RQ3 관측된 H i 분포의 이방성의 물리적 기원은 무엇이며, 자기장과 난류와의 관계는 어떠한가?
• RQ4 속도-위치도의 구조에 기반해 관측된 필라멘터리 H i 구조가 1차원 섬유가 아니라 2차원 시트 또는 비틀린 쉘로 해석될 수 있는가?
• RQ5 관측된 라디오-편광 캐널은 은하간 매질(ISM) 내 자기성 구조와 파라데이 회전 효과와 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 호로로지움과 아우리 은하계에서 뚜렷한 H i 파워 스펙트럼 이방성이 관측되었으며, 분포 캐널의 정렬 방향에 수직으로 파워가 10배 이상 증가하였다.
• 이러한 이방성은 자기장 방향과 일치하며, 특히 좁은 속도 채널에서 두드러지게 나타나, MHD 난류 모델과 일치한다.
• 냉각 중성 매질(CNM)과 관련된 H i 구조에서 급격한 힘 법칙 기울기(난류 상전이를 시사)가 관측되었으며, 특히 필라멘터리 특징에서 두드러졌다.
• CND 내 필라멘터리 H i 구조는 라디오-편광 분포 캐널과 공간적으로 상관되어 있어, H i 필라멘터리 구조와 자기성 구조 간의 물리적 연관성이 있음을 시사한다.
• 관측된 대규모 H i 특징, 예를 들어 호로로지움의 아치형 구조는 약 20 km s⁻¹ per degree의 일관된 속도 기울기를 보이며, 1차원 섬유가 아니라 기울어진 2차원 시트임을 시사한다.
• 속도-위치도 분석에서 주요 및 보조 충격 구조 간의 동적 상호작용이 드러났으며, 이는 난류 유동과 성운 상호작용에 의해 구동될 수 있으며, ISM 난류의 충격 펌프 메커니즘을 지지한다.