[论文解读] Magnetic fields in the Milky Way and other spiral galaxies

R. Beck|Oct 10, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 30

一句话总结

本文结合多波长射电观测，利用同步辐射偏振和法拉第旋转测量，在能量均分假设下绘制了银河系及旋涡星系中的磁场结构。研究发现，本地总场强和有序场强分别为约6 μG和约4 μG，星暴区域场强更强（最高达50 μG），并揭示了复杂的大尺度磁场反转和垂直分量，表明银盘中存在类似四极矩对称性，而银心或晕区则呈现类似偶极子的模式。

ABSTRACT

The average strength of the total magnetic field in the Milky Way, derived from radio synchrotron data under the energy equipartition assumption, is 6\muG locally and \simeq 10\muG at 3 kpc Galactic radius. Optical and synchrotron polarization data yield a strength of the local regular field of \simeq 4\muG (an upper limit if anisotropic fields are present), while pulsar rotation measures give \simeq 1.5\muG (a lower limit if small-scale fluctuations in regular field strength and in thermal electron density are anticorrelated). In spiral arms of external galaxies, the total [regular] field strength is up to \simeq 35\muG [\simeq 15\muG]. In nuclear starburst regions the total field reaches \simeq 50\muG. Little is known about the global field structure in the Milky Way. The local regular field may be part of a ``magnetic arm'' between the optical arms, a feature that is known from other spiral galaxies. Unlike external galaxies, rotation measure data indicate several global field reversals in the Milky Way, but some of these could be due to field distortions. The Galaxy is surrounded by a thick radio disk of similar extent as around many edge-on spiral galaxies. While the regular field of the local disk is of even symmetry with respect to the plane (quadrupole), the regular field in the inner Galaxy or in the halo may be of dipole type. The Galactic center region hosts highly regular fields of up to milligauss strength which are oriented perpendicular to the plane.

研究动机与目标

• 利用射电同步辐射与偏振数据，确定银河系及河外旋涡星系中磁场的强度与结构。
• 评估能量均分假设在基于射电与伽马射线数据估算磁场强度时的可靠性。
• 研究有序与湍流磁场的大尺度形态，包括磁场反转与垂直分量。
• 将银河系银盘、晕区与核区的磁场特性与河外星系进行比较。
• 解决能量均分估算与脉冲星旋转测量数据在本地有序场强估计上的差异。

提出的方法

• 利用408 MHz波段的射电同步辐射发射，通过宇宙射线与磁场能量均分关系推断总磁场强度。
• 利用光学、射电及亚毫米波段的偏振数据，追踪天球面上有序磁场的方向与强度。
• 利用脉冲星与河外源的法拉第旋转测量（RMs），估算视线方向的有序磁场分量并检测磁场反转。
• 对偏振图中的法拉第旋转与去偏振效应进行建模，以校正波束平均化与波长相关的光学厚度影响。
• 对多波长偏振数据应用法拉第层析技术，以在光年至亚光年尺度上解析湍流与各向异性磁场结构。
• 通过银道面经度与纬度上法拉第旋转符号的分布模式，推断磁场对称性（四极矩 vs. 偶极子）

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系银盘中总磁场与有序磁场的平均强度是多少？能量均分估算与脉冲星旋转测量数据相比如何？
• RQ2 在银河系及河外星系的旋臂、星暴区与银心区域，磁场强度如何变化？
• RQ3 观测到的银河系磁场反转由何引起？其起源是全局性的还是局域性的？
• RQ4 银河系银盘与晕区磁场的垂直结构如何？与侧向旋涡星系相比有何异同？
• RQ5 偏振强度图中检测到的小尺度磁场结构（如纤维、环状结构）如何与湍流或各向异性磁场构型相关？

主要发现

• 基于同步辐射偏振与能量均分假设，银河系本地总磁场强度约为6 μG，有序分量约为4 μG。
• 脉冲星旋转测量给出的本地有序磁场强度估计值较低，约为1.5 μG，提示可能因磁场强度与电子密度的反相关涨落导致低估。
• 在河外星系的旋臂区域，总磁场强度可达约35 μG，而核区星暴区域的磁场强度最高可达约50 μG。
• 银河系厚射电盘的标高约为3.0 kpc（同步辐射），在能量均分假设下总磁场标高约为6 kpc，表明磁场具有显著的垂直扩展结构。
• 旋转测量数据显示，本地银盘磁场具有类似四极矩对称性（上下方磁场符号相同），而银心或晕区可能具有符号相反的偶极子模式。
• 小尺度结构（如纤维与环状结构）仅在偏振强度图中出现，可能与各向异性湍流磁场或法拉第鬼影有关，需借助多波长法拉第层析技术才能完整解释。