[논문 리뷰] Limits on Magnetic Fields and Relativistic Electrons in the Coma Cluster from Multifrequency Observations

T. A. Enßlin, Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|1997. 09. 24.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다주파수 라디오 및 X선 관측을 통해 코마 은하단의 라디오 홀로의 자기장 강도와 상대론적 전자 분포를 제약한다. 역방향 콘트론 산란을 통한 간섭계 우주 마이크파 및 열적 X선 광자 산란 모델링을 통해 중심 자기장에 대해 B₀ > 0.3 μG의 하한선을 도출하였으며, 이는 최소 에너지 추정과 일치한다. 또한 자기장이 1.2 μG 이하일 경우, 은하단의 극단적인 자외선 과잉 현상이 역방향 콘트론 산란에 기인할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Relativistic electrons, seen in the large diffuse radio halo of the Coma cluster of galaxies, should scatter background photons to higher energies. We calculate the inverse Compton contributions from the microwave background, from the local radiation field of elliptical galaxies and from the thermal X-ray emission of the intra cluster medium to the different observed energy bands, and draw restrictions to the shape of the spectrum of the relativistic electron population. The expected electron spectra in different halo formation models are discussed, and signatures for a future distinction of these models are presented, tracing the injection processes and the influence of optical thickness of the radio halo for very low frequency emission due to synchrotron self absorption. Some of the upper limits on the electron spectrum translate into lower limits of the halo magnetic fields, since the observed synchrotron radiation is known. Despite uncertainties in the extrapolation of the radio spectrum to lower frequencies a lower limit to the central field strength of B_o > 0.3 muG seems to be sure. This is comparable to the value resulting from minimal energy arguments. If B_o < 1.2 muG, the recently reported extreme ultraviolet excess of Coma (Lieu et al. 1996) could result from inverse Compton scattered microwave photons. Formulae for transrelativistic Thomson scattering are given in the Appendix.

연구 동기 및 목표

• 라디오 허브의 관측된 동기방출 및 역방향 콘트론 방출 모델을 이용하여 코마 은하단의 라디오 홀로 내부 자기장 강도에 대한 하한선을 도출한다.
• 관측된 라디오, 마이크파, X선 방출을 바탕으로 상대론적 전자 에너지 스펙트럼의 형태를 제약한다.
• 최근 보고된 코마 은하단의 극단적인 자외선 과잉 현상이 마이크파 광자의 역방향 콘트론 산란에 의해 설명될 수 있는지 평가한다.
• 저주파수 라디오 방출에 영향을 미치는 동기방출 자기흡수 효과와 그 허브 형성 모델에 대한 함의를 평가한다.
• 스펙트럼 모델링과 관측적 특징을 통해 허브 내 전자 주입 메커니즘의 차이를 구별한다.

제안 방법

• 코마 은하단의 허브 내 상대론적 전자에 의한 간섭계 우주 마이크파(background, CMB) 광자 산란의 역방향 콘트론 산란 모델링.
• 타원은하의 국부적 복사장 기여와 은하간 매질의 열적 X선 방출 기여를 포함한다.
• 관측된 동기방출을 이용하여 전자 에너지 스펙트럼과 자기장 강도에 대한 제약 조건을 유도한다.
• 부록에 제시된 전상대론적 톰슨 산란 공식을 적용하여 관련 에너지 영역에서의 정확도를 향상시킨다.
• 관측된 라디오 스펙트럼을 저주파수로 외삽하여 동기방출 자기흡수 효과와 광학 두께를 평가한다.
• 이론적 예측을 라디오, 마이크파, X선 대역의 다주파수 데이터와 비교하여 다양한 허브 형성 모델과의 일관성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 동기방출과 일치하는 코마 은하단의 라디오 홀로 내부의 최소 자기장 강도는 얼마인가?
• RQ2 코마 은하단에서 관측된 극단적인 자외선 과잉 현상은 CMB 광자의 역방향 콘트론 산란에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 상대론적 전자 에너지 스펙트럼의 형태가 다양한 에너지 대역에서 예측된 역방향 콘트론 방출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 저주파수 라디오 영역에서의 동기방출 자기흡수 효과가 허브의 스펙트럼 특성 해석에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 다양한 전자 주입 메커니즘을 구별하는 데 있어 향후 관측적 특징은 무엇인가?

주요 결과

• 관측된 동기방출 제약 조건을 바탕으로 코마 은하단 중심 자기장 강도에 대해 B₀ > 0.3 μG의 하한선이 확립되었다.
• 이 하한선은 최소 에너지 추정에서 유도된 값과 일치하여 물리적 타당성을 강화한다.
• 자기장이 1.2 μG 이하일 경우, 최근 보고된 코마 은하단의 극단적인 자외선 과잉 현상은 마이크파 광자의 역방향 콘트론 산란에 기인할 수 있다.
• 모델은 상대론적 전자 스펙트럼의 형태가 마이크파 및 X선 대역에서 예측된 역방향 콘트론 방출에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다.
• 저주파수 라디오 영역에서의 동기방출 자기흡수 효과는 광학 두께 효과를 유도하여 허브의 저주파수 스펙트럼 해석에 영향을 준다.
• 본 연구는 향후 다양한 전자 주입 모델을 구별하는 데 도움이 될 수 있는 관측적 특징—예를 들어 스펙트럼 곡률 및 저주파수 전환점—을 규명하였다.