[论文解读] Three-dimensional Tomography of the Galactic and Extragalactic Magnetoionic Medium with the SKA

J. L. Han, W. van Straten+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2014

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 12被引用 6

一句话总结

本文提出利用平方公里阵列（SKA）通过脉冲星色散量（DM）、散射量和旋转量（RM）对银河系及河外磁离子介质进行三维层析成像。通过利用SKA1的宽频偏振测量和甚长基线干涉测量（VLBI）实现精确距离测定，以及SKA2的深度巡天，该项目将绘制银河系内电子密度和磁场结构的分布图，并通过河外脉冲星和RM统计研究星际介质。

ABSTRACT

The magneto-ionic structures of the interstellar medium of the Milky Way and the intergalactic medium are still poorly understood, especially at distances larger than a few kiloparsecs from the Sun. The three-dimensional (3D) structure of the Galactic magnetic field and electron density distribution may be probed through observations of radio pulsars, primarily owing to their compact nature, high velocities, and highly-polarized short-duration radio pulses. Phase 1 of the SKA, i.e. SKA1, will increase the known pulsar population by an order of magnitude, and the full SKA, i.e. SKA2, will discover pulsars in the most distant regions of our Galaxy. SKA1-VLBI will produce model-independent distances to a large number of pulsars, and wide-band polarization observations by SKA1-LOW and SKA1-MID will yield high precision dispersion measure, scattering measure, and rotation measure estimates along thousands of lines of sight. When combined, these observations will enable detailed tomography of the large-scale magneto-ionic structure of both the Galactic disk and the Galactic halo. Turbulence in the interstellar medium can be studied through the variations of these observables and the dynamic spectra of pulsar flux densities. SKA1-LOW and SKA1-MID will monitor interstellar weather and produce sensitive dynamic and secondary spectra of pulsar scintillation, which can be used to make speckle images of the ISM, study turbulence on scales between ~10^8 and ~10^13 m, and probe pulsar emission regions on scales down to $\sim$10 km. In addition, extragalactic pulsars or fast radio bursts to be discovered by SKA1 and SKA2 can be used to probe the electron density distribution and magnetic fields in the intergalactic medium beyond the Milky Way.

研究动机与目标

• 构建银河系磁离子介质的详细三维模型，包括银盘和银晕中电子密度和磁场结构。
• 克服当前对太阳周围几kpc范围以外的星际介质（ISM）认知的局限，特别是银河系银晕中的认知局限。
• 利用河外脉冲星和RM统计研究星际介质（IGM）的电子密度和磁场。
• 通过10^8–10^13 m尺度上的动态谱和闪烁测量，研究ISM中的湍流。
• 通过测量河外源的剩余RM，揭示宇宙网中微弱磁场的存在，从而增进对宇宙磁性的理解。

提出的方法

• 利用SKA1-LOW和SKA1-MID进行宽频偏振测量，沿数千条银道面视线精确测量高精度色散量（DM）、散射量和旋转量（RM）。
• 应用SKA1-VLBI技术获取脉冲星的模型无关距离，从而实现电子密度和磁场分布的三维重建。
• 结合银河系脉冲星的DM和RM数据与河外射电源的前景RM估计值，分离出星际介质（IGM）的贡献。
• 利用脉冲星闪烁的动态谱和二次谱，生成ISM的散斑图像，并研究从~10^8到10^13 m尺度上的湍流。
• 利用宿主星系中河外脉冲星的最小DM和平均RM，估算IGM的DM和RM，扣除银河系和宿主星系的贡献。
• 分析红移已知的类星体和射电源的剩余RM，以探测宇宙网及中间结构中的微弱磁场。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用数千个脉冲星的色散量重建银河系星际介质的三维电子密度分布？
• RQ2 通过脉冲星旋转量（RM）测绘，银河系磁场在银盘和银晕中的空间结构如何？
• RQ3 通过SKA1和SKA2发现的河外脉冲星，能在多大程度上探测到星际介质的电子密度和磁场？
• RQ4 闪烁动力学和二次谱如何揭示从10^8到10^13 m尺度上电离ISM中的湍流？
• RQ5 河外射电源的剩余RM能否提供宇宙网及中间星系中微弱磁场存在的证据？

主要发现

• 预计SKA1将发现约7,000颗普通脉冲星和900颗毫秒脉冲星，主要位于银河系银晕中，从而实现对ISM的高精度三维成像。
• SKA1-VLBI将为大量脉冲星提供模型无关的距离测量，显著提高电子密度和磁场模型的精度。
• SKA1-LOW和SKA1-MID的宽频偏振测量将在数千条视线方向上实现高精度DM、散射和RM测量，从而实现对磁离子介质的详细层析成像。
• SKA1和SKA2发现的河外脉冲星将使通过min(DM_extraPSRs) − max(DM_GalacPSRs)估算IGM电子密度，以及通过⟨RM_extraPSRs⟩ − ⟨RM_BGS⟩估算IGM磁场成为可能。
• SKA1-LOW和SKA1-MID的动态谱将实现ISM的散斑成像，并研究从~10^8 m到~10^13 m尺度上的湍流。
• 红移已知的河外源的剩余RM将揭示宇宙网及中间结构中的微弱磁场，将磁场测绘范围扩展至可探测脉冲星的范围之外。