[论文解读] A new prescription for the random magnetic field of the Milky W ay

M. Beck, Alexander M. Beck+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 61被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于高斯随机场的新方法，用于描述银河系小尺度磁场，通过结合GALPROP模拟更新的宇宙射线电子密度，对Jansson & Farrar（JF12）模型进行了扩展。该模型显著提升了与WMAP7 22 GHz数据及前景法拉第旋转测量图的一致性，显著改进了银河系磁场模型，并为超高能宇宙射线偏转研究提供了支持。

ABSTRACT

We present a new prescription for the small-scale magnetic fi eld of the Milky Way and complement existing models for the total Galactic magnetic fiel d. In particular, we extend the random and striated magnetic field components of the Jansson & Farrar (JF12) model and investigate the characteristics of random magnetic fluctua tions. Thereby the small-scale magnetic field is modelled by Gaussian random fields using a rando m magnetic field power spectrum. We update the spatial distribution of Galactic cosmic ray electron density by a recent GALPROP model. We derive full-sky projections of the total and polarized sy nchrotron intensity as well as the Faraday rotation measure distribution of our model and compare to real data. We obtain good agreement to the WMAP7 22 GHz polarized and total intensity emission maps and we retrieve improved fits to Galactic foreground rotation me asure maps and power spectra of Oppermann et al. Our new prescription significantly compl ements previous models of the GMF and reveals implications for future studies on the deflec tion of ultra high energy cosmic rays (UHECR).

研究动机与目标

• 开发一种更精确的银河系小尺度随机磁场与条纹状磁场的描述方法。
• 通过引入更新的宇宙射线电子密度分布，改进现有总银河系磁场模型。
• 提高同步辐射强度与法拉第旋转测量预测的准确性，以便与观测数据进行比较。
• 利用基于功率谱的方法研究随机磁场涨落的特性。
• 通过提供更真实的磁场模型，支持未来超高能宇宙射线偏转研究。

提出的方法

• 将小尺度磁场建模为具有定义功率谱的高斯随机场，以捕捉随机涨落。
• 通过结合GALPROP模拟框架提供的银河系宇宙射线电子空间分布更新，扩展Jansson & Farrar（JF12）模型。
• 利用扩展后的磁场模型生成全天总强度与偏振强度的投影图。
• 基于新磁场构型与电子密度模型，计算法拉第旋转测量分布。
• 将模型输出与观测数据进行比较，包括WMAP7 22 GHz总强度与偏振强度图，以及Oppermann等人提供的旋转测量图。
• 使用功率谱分析验证模型与前景统计特性的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用随机场理论更准确地建模银河系小尺度磁场结构？
• RQ2 引入更新的宇宙射线电子密度在多大程度上提升了同步辐射发射与法拉第旋转预测的准确性？
• RQ3 与以往模型相比，新模型能否更好地重现观测到的WMAP7 22 GHz总强度与偏振强度图？
• RQ4 该模型在多大程度上拟合了银河系前景旋转测量的功率谱与空间分布？
• RQ5 该改进的磁场模型对超高能宇宙射线偏转有何影响？

主要发现

• 新模型与WMAP7 22 GHz偏振与总强度发射图具有良好的一致性，验证了其预测能力。
• 与以往模型相比，该模型在银河系前景旋转测量图及其功率谱的拟合上表现更优。
• 引入GALPROP模型提供的更新宇宙射线电子密度，显著提升了磁场描述的现实性与准确性。
• 采用基于功率谱的高斯随机场方法，有效捕捉了小尺度磁场涨落的统计特性。
• 扩展后的模型显著补充了现有银河系磁场模型，尤其在高能天体物理应用方面。
• 改进的磁场表征方式对建模银河系内超高能宇宙射线偏转具有直接意义。