[論文レビュー] M82 - A radio continuum and polarisation study II. Polarisation and rotation measures

B. Adebahr, M. Krause+3 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Oct 11, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 69被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、M82銀河における複数波長の電波偏光およびRM合成技術を用いて、星形成暴走銀河の磁場構造を調査した。磁場駆動による7.1 M⊙ yr⁻¹の質量降着、噴出コーン内のヘリカル磁場、およびハロー部における大規模磁場ループが明らかになった。これは、磁場が激しい星形成爆発環境ですばやく消失せず、秩序ある磁場を銀河間空間へ輸送できることを示している。

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.

研究の動機と目的

• M82における星形成の増幅および持続に寄与する磁場の役割を理解すること。
• 星形成暴走銀河における規則的および乱流的磁場の起源と形状を特定すること。
• 磁場力が質量降着および星形成率の増加に顕著に寄与しているかどうかを評価すること。
• 激しい星形成環境を通過する大規模磁場の生存および輸送を調査すること。
• 初期銀河における銀河間空間の磁化に寄与する磁場の貢献度を評価すること。

提案手法

• λ3 cm、λ6 cm、λ18 cm、λ22 cmの4波長で、VLAおよびWSRTのアーカイブデータを統合し、偏光および回転丈（RM）解析を実施。
• RM合成を用いてファラデー深さ構造を再構成し、磁場の幾何学的配置を推定。
• 偏光スペクトルを用いて、イオン化ガスと磁場の結合を特定し、二相磁場トポロジーを検出。
• 偏光構造を用いて磁場のコherenecence長（50 pc）を推定し、巨大分子雲のサイズと比較。
• 偏光の減衰メカニズムをモデル化し、乱流的星形成領域ではファラデー減衰が支配的であると特定。
• 特にλ18 cmおよびλ22 cmでの偏光およびRM分布の非対称性から、磁場バー構造を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M82のハロー部および噴出コーンにおける大規模磁場の形状と起源は何か？
• RQ2 磁場はM82における質量降着および星形成率の増加にどのように寄与しているか？
• RQ3 規則的磁場が星形成爆発核の乱流的環境でもどのようにして生存できるのか？
• RQ4 中心噴出領域にヘリカル磁場構造の証拠はあるか？
• RQ5 偏光の減衰プロセスは、異なる波長での観測偏光にどのように影響を与えるか？

主な発見

• M82の磁場バーは、磁場ストレスに起因する質量降着を7.1 M⊙ yr⁻¹で駆動しており、観測された分子ガス降着（3.5 M⊙ yr⁻¹）を上回る。
• λ18 cmおよびλ22 cmでの偏光放射は、ディスクから2 kpcまで延びており、ハロー部に大規模磁場構造が存在することを示している。
• 中心噴出コーン部では、逆方向のRM符号と磁場向きの両方が観測され、ヘリカル磁場が推定された。
• 銀河中心部の磁場コherenecence長は50 pcと推定され、巨大分子雲のサイズと同等である。
• ハロー部の電子密度は約0.009 cm⁻³であり、のちに観測された銀河系の値と整合的である。
• λ3 cmおよびλ6 cmでの偏光放射は、ディスクに垂直な方向に延びる中心磁場を示しており、ハロー部に0.6 kpcまで達している。逆転した偏光減衰比（最大1.4）は、複雑なファラデー効果を示している。