[论文解读] The Coma cluster magnetic field from Faraday rotation measures

A. Bonafede, L. Feretti+6 more|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|Feb 2, 2010

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies被引用 11

一句话总结

本研究利用甚大阵列在千秒差距分辨率下对Coma星系团中七个射电源的法拉第旋转测量（RM）数据，约束了该星系团中的磁场。通过将观测到的RM图与磁场的三维数值模拟进行比较，发现最佳拟合模型的中心场强为4.7 μG，径向幂律指数为0.5，其柯尔莫哥洛夫型功率谱覆盖2–34 kpc范围，并在99%置信水平下排除了3–7 μG之外或η < 0.2或η > 1.0的极端值。

ABSTRACT

The aim of the present work is to constrain the Coma cluster magnetic field strength, its radial profile and power spectrum by comparing Faraday Rotation Measure (RM) images with numerical simulations of the magnetic field. We have analyzed polarization data for seven radio sources in the Coma cluster field observed with the Very Large Array at 3.6, 6 and 20 cm, and derived Faraday Rotation Measures with kiloparsec scale resolution. Random three dimensional magnetic field models have been simulated for various values of the central intensity B_0 and radial power-law slope eta, where eta indicates how the field scales with respect to the gas density profile. We derive the central magnetic field strength, and radial profile values that best reproduce the RM observations. We find that the magnetic field power spectrum is well represented by a Kolmogorov power spectrum with minimum scale ~ 2 kpc and maximum scale ~ 34 kpc. The central magnetic field strength and radial slope are constrained to be in the range (B_0=3.9 microG; eta=0.4) and (B_0=5.4 microG; eta=0.7) within 1sigma. The best agreement between observations and simulations is achieved for B_0=4.7 microG; eta=0.5. Values of B_0&gt;7 microG and &lt;3 microG as well as eta &lt; 0.2 and eta &gt; 1.0 are incompatible with RM data at 99 % confidence level.

研究动机与目标

• 利用法拉第旋转测量（RM）数据确定Coma星系团中磁场的径向分布与强度。
• 通过将观测结果与三维数值模拟对比，研究星系团内磁场的功率谱。
• 检验不同磁场模型（中心场强B₀与径向指数η）与观测RM统计量的一致性。
• 利用统计置信水平约束物理上可能的磁场参数范围。
• 将推导出的磁场估计值与能量平衡法及反康普顿X射线方法的估计值进行比较。

提出的方法

• 利用甚大阵列在3.6、6和20 cm波段对Coma星系团场区七个射电源获取了高分辨率（0.7 kpc）的RM图像。
• 使用法拉第旋转测量（RM）关系：RM ∝ ∫ nₑ(l) B∥(l) dl，其中nₑ为电子密度，B∥为视线方向磁场分量。
• 生成具有不同中心强度B₀与径向幂律指数η的三维随机磁场模型，假设磁场能量密度与气体密度成比例。
• 从这些模型中模拟RM图像，同时考虑观测偏差，如噪声、波束卷积及有限的空间采样。
• 应用结构函数、自相关函数及多尺度统计工具，比较模拟与观测的RM图。
• 对Burn定律进行拟合，以验证磁场功率谱的最小与最大相关尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Coma星系团中磁场的径向分布如何，由法拉第旋转测量数据约束？
• RQ2 星系团内磁场的特征功率谱是什么，其最小与最大空间尺度是多少？
• RQ3 哪些中心磁场强度（B₀）与径向指数（η）的取值最能再现观测到的RM统计特性？
• RQ4 推导出的磁场参数与能量平衡法及反康普顿X射线辐射法的估计值相比如何？
• RQ5 在99%置信水平下，哪些B₀与η值与观测到的RM数据不相容？

主要发现

• 最佳拟合磁场模型的中心场强为4.7 μG，径向幂律指数η = 0.5，模拟与观测结果的吻合度最佳。
• 磁场功率谱可用柯尔莫哥洛夫谱良好描述，其最小尺度约为~2 kpc，最大尺度约为~34 kpc。
• 磁场参数的1σ置信区间为（B₀ = 3.9 μG；η = 0.4）至（B₀ = 5.4 μG；η = 0.7），表明对合理取值有很强约束。
• 在99%置信水平下，排除了B₀ < 3 μG或B₀ > 7 μG，以及η < 0.2或η > 1.0的磁场强度与指数。
• 在约1 Mpc³体积内的平均磁场约为2 μG，尽管假设条件不同，但与Coma射电晕的能量平衡估计值一致。
• 推导出的磁场估计值与硬X射线观测的下限一致，但基于IC的估计值仍存在争议，原因在于粒子分布与空间范围的不确定性。