[论文解读] Using SKA Rotation Measures to Reveal the Mysteries of the Magnetised Universe

M. Johnston‐Hollitt, F. Govoni+22 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2015

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 4被引用 8

一句话总结

本文提出利用平方公里阵列（SKA）开展全天极化巡天，测量700万至1400万个河外源的旋转测量值（RMs），从而实现对宇宙磁场在大尺度和宇宙时空中高精度的测绘。该巡天将通过揭示星系、星系团及宇宙网中磁场的结构、演化及其影响，彻底革新磁学科学，开启‘高精度磁学科学时代’。

ABSTRACT

We know that magnetic fields are pervasive across all scales in the Universe and over all of cosmic time and yet our understanding of many of the properties of magnetic fields is still limited. We do not yet know when, where or how the first magnetic fields in the Universe were formed, nor do we fully understand their role in fundamental processes such as galaxy formation or cosmic ray acceleration or how they influence the evolution of astrophysical objects. The greatest challenge to addressing these issues has been a lack of deep, broad bandwidth polarimetric data over large areas of the sky. The Square Kilometre Array will radically improve this situation via an all-sky polarisation survey that delivers both high quality polarisation imaging in combination with observations of 7-14 million extragalactic rotation measures. Here we summarise how this survey will improve our understanding of a range of astrophysical phenomena on scales from individual Galactic objects to the cosmic web.

研究动机与目标

• 解决宇宙磁学中的基本未知问题，包括磁场在宇宙时间与尺度上的起源、形成与演化。
• 克服当前射电巡天在灵敏度、动态范围和天区覆盖方面对详细极化研究的限制。
• 通过旋转测量值网格，实现对银河系、大麦哲伦云、星系团及宇宙网中磁场的统计探测。
• 对正常星系和活动星系核（AGN）的磁学特性进行全面普查，研究其随宇宙红移的变化。
• 揭示红移z ≈ 10以内的暗弱射电源和遥远天体的偏振发射及磁场结构。

提出的方法

• 利用SKA1-MID开展深度、大范围的全天极化巡天，充分发挥其高灵敏度、宽频带（950–1760 MHz）和大视场的优势。
• 测量700万至1400万个河外源的旋转测量值（RMs），构建密集的RM网格，用于磁结构的统计分析。
• 应用旋转测量合成与法拉第层析技术，分离银河系、星系团及外部星系中视线方向的磁结构。
• 开展与连续谱及HI吸收巡天并行观测，实现气体、恒星形成与磁场的多波段联合分析。
• 实施深度、高分辨率的巡天（例如，2°²区域的分辨率达2”），以探测暗弱的偏振天空与暗弱星系群体。
• 确保所有SKA连续谱观测均提供完整的极化数据产品，包括RMs，以最大化科学回报。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙中最早的磁场在何时、何地、以何种机制起源，其种子过程是什么？
• RQ2 磁场如何影响星系形成、宇宙射线加速以及宇宙时空中天体的演化？
• RQ3 星系团、邻近星系及银河系晕中磁场的结构、湍流特性与径向分布如何？
• RQ4 能否通过RM巡天探测并表征宇宙网中的磁成分？
• RQ5 活动星系核喷流与射电晕中的磁场如何随红移演化，其与恒星形成及气体含量有何关联？

主要发现

• SKA将提供一项具有历史意义的全天极化巡天，测量700万至1400万个旋转测量值，实现对宇宙磁场前所未有的统计分析。
• 法拉第层析技术将实现亚角秒级的磁场测绘分辨率，其对星系团与星系中结构的分辨能力，此前仅能通过甚长基线干涉测量（VLBI）实现。
• 该巡天将首次实现对暗弱偏振天空的统计显著探测，深度可达75 nJy/beam（2”分辨率）。
• 将追踪星系与AGN中磁场的宇宙时空中演化，有望探测到红移z ≈ 10以内的偏振谱能量分布。
• SKA将对银河系及邻近星系中的磁离子湍流施加严格约束，甚至可能探测到宇宙网的磁场。
• SKA2将使RM网格上的源密度提升至至少4000万个，从而在多样化天体物理环境中实现对磁场结构的更高分辨率解析。