[論文レビュー] Galactic halo bubble magnetic fields and UHECR deflections

Vasundhara Shaw, A. van Vliet+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、30 GHzにおける偏光同期放射を用いて銀河のハロー泡磁界をモデル化し、Planckデータで制約を加え、得られた磁界パラメータを用いて超高エネルギー宇宙線（UHECR）の偏光を模擬する。その結果、ハロー泡内の磁界は、局所的起源のUHECRに対して極端な偏光（≥80°）とフラックス抑制（2%まで低下）を引き起こすことが判明し、銀河内での宇宙線伝搬に支配的であると示唆される。

ABSTRACT

We consider the synchrotron emission from electrons out in the Galactic halo bubble region where the Fermi bubble structures reside. Utilising a simple analytical expression for the non-thermal electron distribution and a toy magnetic field model, we simulate polarised synchrotron emission maps at a frequency of 30~GHz. Comparing these maps with observational data, we obtain constraints on the parameters of our toy Galactic halo bubble magnetic field model. Utilising this parameter value range for the toy magnetic field model, we determine the corresponding range of arrival directions and suppression factors of ultra high energy cosmic rays (UHECRs) from potential local source locations. We find that high levels of flux suppression (down to 2\%) and large deflection angles ($\geq 80^{\circ}$) are possible for source locations whose line-of-sight pass through the Galactic halo bubble region. We conclude that the magnetic field out in the Galactic halo bubble region can strongly dominate the level of deflection UHECRs experience whilst propagating from local sources to Earth.

研究の動機と目的

• 偏光同期放射データを用いて、銀河のハロー泡領域における磁界構造を制約する。
• ハロー泡内の磁界が、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の伝搬にどのように影響するかを調査する。
• 局所的銀河外起源のUHECRから生じる偏光角の範囲とフラックス抑制係数を特定する。
• ハロー泡磁界が、地上で観測されたUHECRの到着方向とフラックスをどのように形作るかを評価する。
• FermiおよびeROSITAの多波長観測と整合する物理的に妥当な磁界モデルを提供する。

提案手法

• 銀河のハロー泡領域を記述するためのトゥイ磁界モデルを構築し、乱流成分と大規模磁界を含む。
• 解析的非熱的電子分布とトゥイ磁界モデルを用いて、30 GHzにおける同期放射マップをシミュレートする。
• シミュレートされた偏光同期放射マップを、Planck 30 GHz全天データと比較してモデルパラメータを制約する。
• 最良適合磁界パラメータを、CRPropa 3を用いた宇宙線伝搬シミュレーションの入力として使用する。
• NGC 253 やセプタウルスA などの候補となる局所的起源のUHECRについて、偏光角とフラックス抑制係数を計算する。
• モデルの不確実性を伝搬させて、UHECRの偏光角およびフラックス変調の範囲を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河のハロー泡領域で観測された30 GHzにおける偏光同期放射を最もよく再現する磁界構成は何か？
• RQ2 ハロー泡領域の磁界が、超高エネルギー宇宙線の偏光およびフラックス抑制にどのように影響するか？
• RQ3 ハロー泡磁界が、局所的銀河外起源のUHECRの偏光をどの程度支配的に制御できるか？
• RQ4 ハロー泡磁界を通過するUHECRに対して予想される偏光角の範囲とフラックス抑制係数は何か？
• RQ5 得られた磁界パラメータは、Fermi、eROSITA、およびFaraday回転測定による独立した推定とどの程度一致するか？

主な発見

• 銀河のハロー泡領域における最良適合磁界は約7 µGに達し、そのうち6.72 µGが乱流成分に支配されており、銀河平面から最大6 kpcの高さまで広がっている。
• ハロー泡領域の全磁界エネルギーは約10^55 ergと推定され、従来の同期放射に基づく推定と整合的であるが、eROSITAの熱エネルギー推定値（約10^56 erg）よりは低い。
• ハロー泡磁界を通過するUHECRは、少なくとも80°の偏光角を経験し、特定の源位置ではフラックスが2%まで抑制される。
• 最良適合磁界モデルでは、NGC 253およびセプタウルスAからのUHECRの平均角広がりは約30°であり、ピエール・オーリュール観測所の観測と整合的である。
• 本研究では、ハロー泡磁界が近隣銀河外起源のUHECRの偏光を支配的に決定づける可能性があることが示された。これにより、観測された到着方向が著しく変化することが判明した。
• 今後のフェア・ラジオ・バースト（FRB）および分散/Faraday回転測定の観測により、ハロー泡領域の磁界および熱ガス分布がさらに制約される可能性がある。