[論文レビュー] The far-infrared - radio correlation in dwarf galaxies

D. R. G. Schleicher, R. Beck|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 81被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、星形成表面密度が低い（$\Sigma_{\rm SFR} < 0.1\, M_\odot\,\text{yr}^{-1}\text{kpc}^{-2}$）星形成矮星族銀河におけるミリ波・遠赤外線（FIR）-ラジオ相関を調査する。2つの臨界閾値を特定する：乱流による磁場・星形成の結合を維持するためのものと、宇宙線の拡散損失が支配的になるためのもの。主な結果として、低$\Sigma_{\rm SFR}$において$L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{4/3}$から$L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{5/3}$への遷移が予測され、高速回転する矮星銀河では磁場・星形成関係が破壊されることで、ラジオ放射に大きな散らばりが生じる。

ABSTRACT

The far-infrared - radio correlation connects star formation and magnetic fields in galaxies, and has been confirmed over a large range of far-infrared luminosities. Recent investigations indicate that it may even hold in the regime of local dwarf galaxies, and we explore here the expected behavior in the regime of star formation surface densities below 0.1 M_sun kpc^{-2} yr^{-1}. We derive two conditions that can be particularly relevant for inducing a change in the expected correlation: a critical star formation surface density to maintain the correlation between star formation rate and the magnetic field, and a critical star formation surface density below which cosmic ray diffusion losses dominate over their injection via supernova explosions. For rotation periods shorter than 1.5x10^7 (H/kpc)^2 yrs, with H the scale height of the disk, the first correlation will break down before diffusion losses are relevant, as higher star formation rates are required to maintain the correlation between star formation rate and magnetic field strength. For high star formation surface densities Sigma_SFR, we derive a characteristic scaling of the non-thermal radio to the far-infrared / infrared emission with Sigma_SFR^{1/3}, corresponding to a scaling of the non-thermal radio luminosity L_s with the infrared luminosity L_{th} as L_{th}^{4/3}. The latter is expected to change when the above processes are no longer steadily maintained. In the regime of long rotation periods, we expect a transition towards a steeper scaling with Sigma_SFR^{2/3}, implying L_s~L_th^{5/3}, while the regime of fast rotation is expected to show a considerably enhanced scatter. These scaling relations explain the increasing thermal fraction of the radio emission observed within local dwarfs, and can be tested with future observations by the SKA and its precursor radio telescopes.

研究の動機と目的

• 星形成表面密度が低い（$\\Sigma_{\\rm SFR} < 0.1\\, M_\\odot\\,\text{yr}^{-1}\text{kpc}^{-2}$）矮星銀河における遠赤外線–ラジオ相関の妥当性を評価すること。
• 宇宙線の拡散と乱流の減衰といった物理的過程によって相関が崩壊する可能性がある$\Sigma_{\rm SFR}$の臨界閾値を同定すること。
• 回転周期とディスクスケール高さが、矮星銀河における異なるラジオ–FIRスケーリング関係の遷移をどのように制御するかをモデル化すること。
• これらの遷移に起因する、局所的矮星銀河におけるラジオスペクトル指数および熱的成分の変化を予測すること。
• 近い将来のラジオサーベイ（LOFAR、SKA）による、低金属量・低SFR銀河における宇宙磁気およびラジオ放射の検証可能な予測を提示すること。

提案手法

• 超新星駆動の小スケールダイナモ機構に基づき、乱流によって磁場増幅を維持できる星形成表面密度の臨界値を導出する。
• 星形成時定数と拡散損失時定数の比較を用いて、宇宙線の拡散損失が注入を上回るようになる第二の臨界$\Sigma_{\rm SFR}$を計算する。
• 磁場・星形成関係の崩壊において、乱流か拡散かの支配的要因を決定する臨界回転周期（$H = 1\, \text{kpc}$の場合$1.5 \times 10^7\, \text{yr}$）を導入する。
• 磁場エネルギーと宇宙線エネルギーの等エネルギー状態を仮定し、$B \propto \Sigma_{\rm SFR}^{1/3}$の下で、$L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{4/3}$を導出する。
• 宇宙線損失が支配的になる低回転・低$\Sigma_{\rm SFR}$領域では、$L_{\text{radio}} \propto \Sigma_{\rm SFR}^{2/3}$に従い、より急勾配のスケーリング$L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{5/3}$が得られる。
• 高速回転・低$\Sigma_{\rm SFR}$領域では、磁場・星形成関係が乱流注入不足により破壊され、ラジオ放射に大きな散らばりが生じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 矮星銀河において、遠赤外線–ラジオ相関がどの星形成表面密度でずれ始めるか。
• RQ2 回転周期とディスクスケール高さは、磁場・星形成結合と宇宙線拡散支配の間の遷移にどのように影響するか。
• RQ3 低$\Sigma_{\rm SFR}$矮星銀河において、非熱的ラジオ光度と赤外光度の関係を支配するスケーリング則は何か。
• RQ4 矮星銀河において、宇宙線と磁場エネルギーの等エネルギー仮定がどの条件下で崩壊するか。
• RQ5 観測された局所的矮星銀河におけるラジオ放射の熱的成分の増加は、予測されたラジオ放射スケーリングの遷移によって説明可能か。

主な発見

• 遠赤外線–ラジオ相関は、低星形成表面密度において、乱流駆動磁場増幅の喪失と宇宙線拡散損失の支配という2つの競合するプロセスにより崩壊すると予測される。
• 回転周期が$1.5 \times 10^7 (H/\text{kpc})^2$年未満の場合、拡散が支配的になるよりも前に、磁場・星形成関係が乱流注入不足により崩壊する。
• 高$\Sigma_{\rm SFR}$領域では、等エネルギー仮定と$B \propto \Sigma_{\rm SFR}^{1/3}$の下で、非熱的ラジオ光度は赤外光度と$ L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{4/3}$の関係に比例する。
• 低回転・低$\Sigma_{\rm SFR}$領域では、宇宙線損失が支配的になるため、スケーリングは$ L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{5/3}$に急勾配に変化し、$ L_{\text{radio}} \propto \Sigma_{\rm SFR}^{2/3}$に比例する。
• 高速回転で低$\Sigma_{\rm SFR}$の矮星銀河では、磁場・星形成関係が乱流注入不足により破壊され、ラジオ放射に大きな散らばりが生じ、星形成と磁場の間に安定な関係が成立しない。
• 予測されたスケーリング関係の遷移は、特に低SFR環境において観測された局所的矮星銀河におけるラジオ放射の熱的成分の増加を説明できる。