[논문 리뷰] The far-infrared - radio correlation in dwarf galaxies

D. R. G. Schleicher, R. Beck|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 81인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 저표면별 형성률($\Sigma_{\rm SFR} < 0.1\, M_\odot\,\text{yr}^{-1}\text{kpc}^{-2}$)을 가진 은하형성 난쟁이 은하에서의 적외선-라디오 상관관계를 조사한다. 두 가지 핵심 임계점이 밝혀지는데, 하나는 난류에 의한 자기장-별 형성 결합 유지에 관한 것이고, 다른 하나는 우주선 확산 손실에 관한 것이다. 주요 결과는 저$\Sigma_{\rm SFR}$에서 $L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{4/3}$에서 $L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{5/3}$로의 전이가 예측되며, 빠른 회전을 하는 난쟁이 은하에서는 자기장-별 형성 관계가 붕괴되어 라디오 방출에 더 큰 산란이 발생한다.

ABSTRACT

The far-infrared - radio correlation connects star formation and magnetic fields in galaxies, and has been confirmed over a large range of far-infrared luminosities. Recent investigations indicate that it may even hold in the regime of local dwarf galaxies, and we explore here the expected behavior in the regime of star formation surface densities below 0.1 M_sun kpc^{-2} yr^{-1}. We derive two conditions that can be particularly relevant for inducing a change in the expected correlation: a critical star formation surface density to maintain the correlation between star formation rate and the magnetic field, and a critical star formation surface density below which cosmic ray diffusion losses dominate over their injection via supernova explosions. For rotation periods shorter than 1.5x10^7 (H/kpc)^2 yrs, with H the scale height of the disk, the first correlation will break down before diffusion losses are relevant, as higher star formation rates are required to maintain the correlation between star formation rate and magnetic field strength. For high star formation surface densities Sigma_SFR, we derive a characteristic scaling of the non-thermal radio to the far-infrared / infrared emission with Sigma_SFR^{1/3}, corresponding to a scaling of the non-thermal radio luminosity L_s with the infrared luminosity L_{th} as L_{th}^{4/3}. The latter is expected to change when the above processes are no longer steadily maintained. In the regime of long rotation periods, we expect a transition towards a steeper scaling with Sigma_SFR^{2/3}, implying L_s~L_th^{5/3}, while the regime of fast rotation is expected to show a considerably enhanced scatter. These scaling relations explain the increasing thermal fraction of the radio emission observed within local dwarfs, and can be tested with future observations by the SKA and its precursor radio telescopes.

연구 동기 및 목표

• 저별 형성률 표면 밀도($\\Sigma_{\\rm SFR} < 0.1\\, M_\\odot\\,\\text{yr}^{-1}\\text{kpc}^{-2}$)를 가진 난쟁이 은하에서의 적외선-라디오 상관관계의 타당성을 평가하기 위해.
• 우주선 확산과 난류 감쇠와 같은 물리적 과정으로 인해 상관관계가 붕괴될 수 있는 $\Sigma_{\rm SFR}$의 임계점 식별하기 위해.
• 반지름과 디스크 스케일 높이가 난쟁이 은하에서 다양한 라디오-적외선 척도 관계 간의 전이를 어떻게 조절하는지 모델링하기 위해.
• 이러한 전이로 인해 국지적 난쟁이 은하에서 라디오 스펙트럼 지수와 열성분 비율에 관찰 가능한 변화가 어떻게 발생할지 예측하기 위해.
• 앞서 나올 라디오 설문조사(SKA, LOFAR)를 위한 검증 가능한 예측 제공: 저금속도, 저별 형성률 은하에서의 우주 자기장과 라디오 방출에 대해.

제안 방법

• 초신성에 의해 유도되는 난류에 의한 자기장 증폭을 유지하기 위한 임계별 형성률 표면 밀도를 소규모 다이내믹스 메커니즘에 기반해 유도한다.
• 우주선 확산 손실이 주입보다 지배적이게 되는 두 번째 임계 $\Sigma_{\rm SFR}$를 별 형성 시간스케일과 확산-손실 시간스케일 비교를 통해 계산한다.
• 자기장-별 형성 상관관계 붕괴에서 난류 또는 확산이 지배하는지를 결정하는 임계 회전 주기($H = 1\, \text{kpc}$ 기준 $1.5 \times 10^7\, \text{yr}$)를 도입한다.
• 자기 에너지와 우주선 에너지 간의 평형을 가정하여 고$\Sigma_{\rm SFR}$에서 $L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{4/3}$를 유도한다. 이때 $B \propto \Sigma_{\rm SFR}^{1/3}$을 가정한다.
• 저회전, 저$\Sigma_{\rm SFR}$ 영역에서 우주선 손실 지배로 인해 더 급격한 척도 $L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{5/3}$를 도출하며, 이는 $L_{\text{radio}} \propto \Sigma_{\rm SFR}^{2/3}$에 해당한다.
• 빠른 회전과 저$\Sigma_{\rm SFR}$ 영역을 분석하여, 난류 주입이 부족해 자기장-별 형성 상관관계가 붕괴되며, 이로 인해 라디오 방출에 높은 산란이 발생함을 밝힌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저별 형성률 표면 밀도에서 적외선-라디오 상관관계가 난쟁이 은하에서 어떻게 기울기 시작하는가?
• RQ2 회전 주기와 디스크 스케일 높이가 자기장-별 형성 결합과 우주선 확산 지배 간의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 저$\Sigma_{\rm SFR}$ 난쟁이 은하에서 비열성 라디오 방출 빛의 세기와 적외선 방출 빛의 세기 간의 척도 법칙은 무엇인가?
• RQ4 난쟁이 은하에서 우주선과 자기장 간의 평형 가정이 어떤 조건에서 붕괴되는가?
• RQ5 관측된 국지적 난쟁이 은하에서의 라디오 방출 열성분 비율 증가 현상은 예측된 라디오 방출 척도 전이로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 저별 형성률 표면 밀도에서 적외선-라디오 상관관계는 난류에 의한 자기장 증폭 손실과 우주선 확산 손실이라는 두 가지 경쟁적 과정으로 인해 붕괴될 것으로 예측된다.
• 회전 주기가 $1.5 \times 10^7 (H/\text{kpc})^2$ 년 이하인 경우, 확산이 지배적이기 전에 난류 주입이 부족하여 자기장-별 형성 상관관계가 붕괴된다.
• 고$\Sigma_{\rm SFR}$ 영역에서는 비열성 라디오 방출 빛의 세기가 적외선 방출 빛의 세기와 $L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{4/3}$로 비례하며, 이는 평형과 $B \propto \Sigma_{\rm SFR}^{1/3}$과 일치한다.
• 저회전, 저$\Sigma_{\rm SFR}$ 영역에서는 우주선 손실 지배로 인해 척도가 더 급격히 $L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{5/3}$로 변하며, 이는 $L_{\text{radio}} \propto \Sigma_{\rm SFR}^{2/3}$에 해당한다. 이는 입자 농도가 우주선 손실에 의해 제한되기 때문이다.
• 저$\Sigma_{\rm SFR}$를 가진 빠른 회전 난쟁이 은하에서는 난류 주입이 부족하여 자기장-별 형성 상관관계가 붕괴되며, 이로 인해 라디오 방출에 높은 산란이 발생하고 별 형성과 자기장 간의 안정된 관계가 없어진다.
• 예측된 척도 관계 전이가 국지적 난쟁이 은하에서 관측된 라디오 방출의 열성분 비율 증가 현상을 설명할 수 있으며, 특히 저별 형성률 환경에서 그러하다.