[论文解读] M82 - A radio continuum and polarisation study I. Data reduction and cosmic ray propagation

B. Adebahr, M. Krause+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 54被引用 43

一句话总结

本研究利用 WSRT 和 VLA 的多频射电连续谱与偏振数据，调查了星暴星系 M82 中宇宙射线的传播及磁场结构。研究发现，核心区域的宇宙射线遭受显著的同步辐射损耗与逆康普顿损耗，需通过多次过去的星暴事件才能解释延伸达 4 kpc 的射电晕；核心磁场强度估计为 98 μG，晕区为 24 μG，表明磁场已冻结于由星系外流驱动的电离气体中。

ABSTRACT

The potential role of magnetic fields and cosmic ray propagation for feedback processes in the early Universe can be probed by studies of local starburst counterparts with an equivalent star-formation rate. Archival data from the WSRT was reduced and a new calibration technique introduced to reach the high dynamic ranges needed for the complex source morphology of M82. This data was combined with archival VLA data, yielding total power maps at 3cm, 6cm, 22cm and 92cm. The data shows a confinement of the emission at wavelengths of 3/6cm to the core region and a largely extended halo reaching up to 4kpc away from the galaxy midplane at wavelengths of 22/92cm up to a sensitivity limit of 90muJy and 1.8mJy respectively. The results are used to calculate the magnetic field strength in the core region to 98muG and to 24muG in the halo regions. From the observation of free-free losses the filling factor of the ionised medium could be estimated to 2%. We find that the radio emission from the core region is dominated by very dense HII-regions and supernova remnants, while the surrounding medium is filled with hot X-ray and neutral gas. Cosmic rays radiating at frequencies higher than 1.4 GHz are suffering from high synchrotron and inverse Compton losses in the core region and are not able to reach the halo. Even the cosmic rays radiating at longer wavelengths are only able to build up the observed kpc sized halo, when several starbursting periods are assumed where the photon field density varies by an order of magnitude. These findings together with the strong correlation between Halpha, PAH+, and our radio continuum data suggests a magnetic field which is frozen into the ionised medium and driven out of the galaxy kinematically.

研究动机与目标

• 理解典型星暴星系 M82 中宇宙射线的传播与磁场结构。
• 确定 M82 不同区域宇宙射线的主要能量损失机制（同步辐射、逆康普顿）。
• 利用射电连续谱与偏振数据估算核心与晕区的磁场强度。
• 研究单次或多次星暴事件是否足以解释观测到的千秒差距尺度射电晕。
• 评估磁场在星系超风中的作用及其对早期宇宙星际介质磁化的意义。

提出的方法

• 采用新型校准技术处理档案 WSRT 数据，实现复杂源形态的高动态范围还原。
• 结合 WSRT 与 VLA 数据，生成 λ3 cm、λ6 cm、λ22 cm 和 λ92 cm 波段的总功率图。
• 通过不同波长的谱指数分析，推断宇宙射线传播与能量损失 timescales。
• 利用长波长处的自由-自由吸收效应，估算电离介质填充因子（2%）。
• 通过射电、Hα 与 PAH 发射的形态对比，推断磁场与电离气体的耦合关系。
• 通过包含损失 timescales 的宇宙射线逃逸与传播建模，推断过去星暴事件所需的次数。

实验结果

研究问题

• RQ1 M82 核心与晕区宇宙射线的主要能量损失机制是什么？
• RQ2 M82 核心与延伸晕区的磁场强度如何变化？
• RQ3 单次连续宇宙射线注入能否解释观测到的千秒差距尺度射电晕，还是需要多次喷射事件？
• RQ4 磁场在多大程度上冻结于电离介质中，并由星系外流驱动而出？
• RQ5 电离介质的填充因子是多少，其如何影响自由-自由吸收与射电谱指数？

主要发现

• 核心区域在 λ3 cm 和 λ6 cm 波段表现出强烈的射电发射，局限于致密 H II 区与超新星遗迹，磁场强度为 98 μG。
• 在更长波长（λ22 cm 和 λ92 cm）下，延伸射电发射可达中平面 4 kpc 之外，表明宇宙射线已传播至晕区。
• 晕区的谱指数显示较缓的梯度，与持续宇宙射线注入并遭受同步辐射与逆康普顿损耗的模型不一致。
• 核心区域宇宙射线电子经历显著能量损失，限制其逃逸；只有通过多次过去星暴事件（FIR 与射电光度变化达一个数量级）才能解释晕区的延伸范围。
• 电离介质填充因子估计为 2%，由长波长自由-自由吸收效应推导得出。
• 晕区磁场强度估计为 24 μG，Hα、PAH+ 与射电发射的观测形态相似性表明磁场与电离气体一同被动力驱动出。