[论文解读] The Large-Scale Magnetic Field Structure of Our Galaxy: Efficiently Deduced from Pulsar Rotation Measures

J. L. Han|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文表明，脉冲星旋转量（RMs）是绘制银河系盘面和晕中大尺度磁场结构的最有效方法。利用新发现脉冲星的RMs，该研究揭示了一种具有方向反转的双对称螺旋磁场结构，包括在天蝎-半人马臂中首次确认的逆时针磁场，支持银河系晕中存在A0发电机机制。

ABSTRACT

In this review, I will first introduce possible methods to probe the large-scale magnetic fields in our Galaxy and discuss their limitations. The magnetic fields in the Galactic halo, mainly revealed by the sky distribution of rotation measures of extragalactic radio sources, probably have a global structure of a twisted dipole field. The large-scale field structure in the Galactic disk has been most efficiently deduced from pulsar rotation measures (RMs). There has been a lot of progress since the 1980s when the magnetic field in the local area of our Galaxy was first traced by a very small sample of local pulsars. Now we have pulsars distributed in about one third of the whole Galactic disk of the interstellar medium, which shows that the large-scale magnetic fields go along the spiral arms and that the field directions reverse from arm to arm. The RMs of newly discovered pulsars in the very inner Galaxy have been used to show the coherent magnetic field in the Norma arm. The magnetic fields in the Galactic disk most probably have a bisymmetric spiral structure.

研究动机与目标

• 利用脉冲星旋转量（RMs）绘制银河系大尺度磁场结构，克服传统方法的局限性。
• 研究银河系磁场是否表现出如双对称螺旋或偶极子构型等一致的大尺度结构。
• 确定银河系晕和中心区域在维持有序磁场中的作用，特别是通过高纬度RMs分布进行分析。
• 评估尽管存在局部小尺度涨落，脉冲星RMs在追踪弥散星际磁场方面的可靠性。
• 将观测到的RMs数据与银河系发电机理论模型进行比较，特别是晕中A0发电机机制。

提出的方法

• 利用分布在银河系约1/3盘面区域的脉冲星旋转量（RMs），推断大尺度磁场的视线分量。
• 通过旋转量（RM）与色散量（DM）趋势的统计分析，区分大尺度相干磁场与小尺度磁场涨落。
• 将脉冲星RM数据与河外射电源的RM进行比较，以验证脉冲星覆盖稀疏区域的磁场结构。
• 采用柱坐标系（r, θ, z）建模磁场分量，特别是方位角分量（Bθ）和垂直分量（Bz）。
• 分析从0.5 kpc到15 kpc尺度的磁场能量谱，以估算场强并评估与能量均分模型的一致性。
• 通过模拟评估电离氢区和局部电子密度不均匀性对RM测量的影响，确认其对大尺度推断的偏差极小。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系盘面中的大尺度磁场是否表现出一致的螺旋结构？如果是，其对称性如何？
• RQ2 在旋臂之间，脉冲星RMs与河外源RMs在追踪磁场反转方面有何异同？
• RQ3 有哪些证据支持银河系晕中存在环形磁场？其与中心偶极场的关系如何？
• RQ4 小尺度磁场不均匀性在多大程度上影响脉冲星RMs在大尺度磁场测绘中的可靠性？
• RQ5 观测到的磁场结构是否与双对称螺旋模型或晕中A0发电机机制一致？

主要发现

• 银河系盘面中的大尺度磁场表现出一种延伸超过10 kpc的相干双对称螺旋结构，覆盖从船帆-人马臂到盾牌-天蝎臂的区域。
• 相邻旋臂之间的磁场方向发生反转，其中在天蝎-半人马臂中首次确认了逆时针磁场方向。
• 来自银河系内区遥远脉冲星的旋转量证实了天蝎-半人马臂中存在相干磁场，支持其大尺度螺旋结构。
• 根据脉冲星RMs估算，弥散星际介质中的平均磁场强度为1.8 ± 0.5 μG，与约6 μG的能量均分估算值一致。
• 小尺度磁场涨落贡献约6 μG的均方根值，表明尽管存在局部不均匀性，脉冲星RM数据在统计上仍可靠，可用于探测大尺度磁场。
• 高银河纬度处的反对称RM分布，结合中心偶极场，强烈支持银河系晕中存在A0发电机机制。