[논문 리뷰] M82 - A radio continuum and polarisation study II. Polarisation and rotation measures

B. Adebahr, M. Krause외 3명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2017. 10. 11.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 69인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 다중 파장 라디오 편광 및 RM-합성 기법을 사용하여 성폭발 은하 M82의 자기장 구조를 조사한다. 자기장이 강한 막대 구조가 자기 브레이킹을 통해 연간 7.1 M⊙의 질량 유입을 이끌어내며, 분출 콘의 영역에 나선형 자기장이 존재하고, 할로의 영역에 대규모 자기장 고리가 존재함을 규명하였다. 이는 폭발적인 성폭발 환경에서도 자기장이 유지되고, 질서 잃지 않은 자기장이 간성간 공간으로 이동할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The composition and morphology of the interstellar medium in starburst galaxies has been well investigated, but the magnetic field properties are still uncertain. The nearby starburst galaxy M82 provides a unique opportunity to investigate the mechanisms leading to the amplification and reduction of turbulent and regular magnetic fields. Possible scenarios of the contribution of the magnetic field to the star-formation rate are evaluated. Archival data from the VLA and WSRT were combined and re-reduced to cover the wavelength regime between 3cm and 22cm. All observations revealed polarised emission in the inner part of the galaxy, while extended polarised emission up to a distance of 2kpc from the disk was only detected at 18cm and 22cm. The observations hint at a magnetised bar in the inner part of the galaxy. We calculate the mass inflow rate due to magnetic stress of the bar to 7.1 solar masses per year, which can be a significant contribution to the star-formation rate of M82 of approximately 13 solar masses per year. The halo shows polarised emission, which might be the remnant of a regular disk field. Indications for a helical field in the inner part of the outflow cone are provided. The coherence length of the magnetic field in the centre is similar to the size of giant molecular clouds. Using polarisation spectra more evidence for a close coupling of the ionised gas and the magnetic field as well as a two-phase magnetic field topology were found. Electron densities in the halo are similar to the ones found in the Milky Way. The magnetic field morphology is similar to the one in other nearby starburst galaxies with possible large-scale magnetic loops in the halo and a helical magnetic field inside the outflow cones. The special combination of a magnetic bar and a circumnuclear ring are able to significantly raise the star-formation rate in this galaxy by magnetic braking.

연구 동기 및 목표

• M82에서 자기장이 별 형성의 강화와 유지에 어떤 역할을 하는지 이해하기 위해
• 성폭발 은하에서 규칙적이고 난류적인 자기장의 기원과 형태를 규명하기 위해
• 자기력이 질량 유입과 별 형성률 증가에 기여하는지 평가하기 위해
• 폭발적인 성폭발 환경을 통과하는 대규모 자기장의 생존과 이동 메커니즘을 조사하기 위해
• 초기 은하에서 간성간 공간의 자기화에 자기장이 기여하는 정도를 평가하기 위해

제안 방법

• 편광 및 회전 측정(RM) 분석을 위해 λ3 cm, λ6 cm, λ18 cm, λ22 cm 파장에서 VLA 및 WSRT의 기록 자료를 통합 분석함.
• Faraday 깊이 구조를 재구성하고 자기장 기하학적 형태를 추론하기 위해 RM-합성 기법을 적용함.
• 편광 스펙트럼을 사용하여 이온화 기체와 자기장 간의 결합을 규명하고, 이중상태 자기장 구조를 탐지함.
• 편광 구조를 통해 자기장의 일관성 길이(50 pc)를 추정하고 거대 분자운 크기와 비교함.
• 편광 소실 메커니즘을 모델링하여, 난류적인 성폭발 영역에서 Faraday 편광 소실이 주요 원인임을 규명함.
• 특히 λ18 cm 및 λ22 cm에서 비대칭적인 편광 및 RM 분포를 통해 자기장 막대의 존재를 추론함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M82의 할로와 분출 콘 영역에서 대규모 자기장의 형태와 기원은 무엇인가?
• RQ2 자기장은 M82에서 질량 유입과 별 형성률 증가에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 규칙적인 자기장은 성폭발 핵의 난류적인 환경에서도 어떻게 생존할 수 있는가?
• RQ4 중앙 분출 영역에서 나선형 자기장의 구조가 존재하는 증거가 있는가?
• RQ5 편광 소실 과정은 다양한 파장에서 관측된 편광에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• M82의 자기장 막대는 자기장 스트레스에 의해 유도된 질량 유입률 7.1 M⊙ yr⁻¹을 유발하며, 관측된 분자 기체 유입률 3.5 M⊙ yr⁻¹을 초과한다.
• 편광 방출은 λ18 cm 및 λ22 cm에서 디스크에서 2 kpc 떨어진 곳까지 연장되어 할로에 대규모 자기장 구조가 존재함을 시사한다.
• 반대 부호의 RM과 자기장 방향이 확장된 영역에서 관측됨에 따라 중심 분출 콘 영역에서 나선형 자기장이 존재한다고 추론된다.
• 은하 중심의 자기장 일관성 길이는 약 50 pc로 추정되며, 거대 분자운의 크기와 유사하다.
• 할로 내 전자 밀도는 약 0.009 cm⁻³로, 은하수에서 관측된 값과 일치한다.
• λ3 cm 및 λ6 cm에서의 편광 방출은 디스크에 수직으로 배열된 중심 자기장을 보여주며, 할로로 0.6 kpc까지 연장되며, 역행 편광 비율(최대 1.4)이 관측되어 복잡한 Faraday 효과를 나타낸다.