[論文レビュー] Cosmic rays and the magnetic field in the nearby starburst galaxy NGC 253 I. The distribution and transport of cosmic rays

V. Heesen, Rainer Beck+2 more|University of Hertfordshire Research Archive (University of Hertfordshire)|Dec 1, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 31被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、6.2 cm、3.6 cm、20 cm、90 cm の高動態範囲ラジオ連続スペクトル観測を用いて、星形成バースト銀河 NGC 253 における宇宙線（CR）輸送を調査した。CR電子の寿命に伴うスペクトル的年齢測定とスケールヘイトの進化を分析した結果、北東領域のハローでは300 ± 30 km s⁻¹ の一様なCR速度が得られ、これは脱出速度と一致しており、CR駆動型ディスク風の存在を示唆している。一方、南西領域のハローでは拡散輸送が支配的であり、拡散係数は 2.0 ± 0.3 × 10²⁹ cm² s⁻¹ であった。

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.

研究の動機と目的

• 星形成バースト銀河 NGC 253 における宇宙線（CR）の垂直輸送メカニズムを調査すること。
• 銀河ハローの異なる領域において、対流か拡散か、どちらの輸送メカニズムが支配的であるかを特定すること。
• スペクトル的年齢測定とスケールヘイト測定を用いて、CR輸送と銀河風の存在を関連付けること。
• 多波長ラジオ連続スペクトルデータを用いて、CRの一様速度と拡散係数を制約すること。
• CR駆動型ダイナミクスによって説明可能な、非対称的な準平面外 H I、Hα、ソフトX線放射の分布を解明すること。

提案手法

• 高角分解能と高感度を実現するため、λ6.2 cm で15点のVLAモザイク観測を実施した。
• 強力な核点源を伴う高動態範囲の要請に応じ、100-m Effelsberg望遠鏡の単一望遠鏡観測を用いて欠落しているゼロステージングの flux 密度を補完した。
• VLAデータを用いて λ20 cm および λ90 cm のマップを再現し、Effelsbergデータから新しい λ3.6 cm マップを取得した。
• 強力な核点源に起因する高動態範囲を扱うために、特別なデータキャリブレーション方式を導入した。
• 宇宙線電子（CRE）のスペクトル的年齢測定を用い、垂直距離（z）に伴うスペクトル指数勾配から CRE の寿命を推定した。
• 垂直輸送が支配的であると仮定し、全出力のスケールヘイトと CRE の寿命の比として CR の一様速度を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 253 のハローにおける宇宙線の主な輸送メカニズム（対流対拡散）は何か？
• RQ2 宇宙線のハローへの輸送の一様速度は何か？ これは脱出速度と比較してどうか？
• RQ3 なぜ準平面外放射（H I、Hα、ソフトX線）が北東ハローで南西よりも顕著に見られるのか？
• RQ4 ラジオシンクロトロン放射のスケールヘイトは、宇宙線電子の寿命とどのように相関するか？
• RQ5 高さに伴うスペクトルの急峻化は、シンクロトロン損失のみで説明可能か？

主な発見

• 北東ハローでは、λ6.2 cm で 1.7 kpc の厚いラジオディスクを示し、これは CRE の寿命に比例して線形に増加しており、垂直輸送の支配的であることを示している。
• スペクトル指数は垂直距離（z）に伴い線形に急峻化しており、強いシンクロトロン損失と整合的である。イオン化損失やブレムストラールング損失は無視できる。
• 北東ハローにおける CR の一様速度は 300 ± 30 km s⁻¹ であり、280 km s⁻¹ の脱出速度と一致しており、重力ポテンシャルから脱出する CR 駆動型ディスク風の存在を示唆している。
• 南西ハローでは、CR 輸送が主に拡散的であり、測定された拡散係数は 2.0 ± 0.3 × 10²⁹ cm² s⁻¹ であった。
• ディスク部における全磁場強度は 7–18 μG であり、星形成バースト銀河としては非常に強い磁場であることが示された。
• 準平面外のガス相（H I、Hα、ソフトX線）の非対称的分布は、北東ハローにおける対流の増強に起因するより効率的な CR 駆動型輸送によって説明できる。