[论文解读] A quantitative model of the FIR/radio correlation for normal late-type galaxies

U. Lisenfeld, H. J. Voelk+1 more|ArXiv.org|Mar 25, 1996

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 5

一句话总结

本文通过将星际辐射场能量密度与磁场能量密度之间的线性相关性联系起来，提出了一种定量模型，解释了正常晚型星系中紧密且近乎普遍存在的亚毫米波/射电相关性。利用理论辐射模型和114个星系的样本，研究发现FIR/射电比值保持稳定，是因为大质量恒星同时向宇宙射线（射电）和紫外辐射（FIR）注入能量，且星系作为能量损失最小化的卡诺米特（calorimeters）。

ABSTRACT

This paper investigates the physical reasons for the existence, the tightness and the near universality of the FIR/radio correlation for late-type field galaxies. We develop theoretical models for the radio and far-infrared (FIR) emission of normal galaxies and study the influence of their main parameters on the ratio of the two emissions. In addition, data are used from a sample of 114 late-type galaxies which allow an estimate of the mean energy densities of the radiation field and the magnetic field, and of the dust opacity. These data reveal, for the first time, a reasonably good, linear correlation between the energy density of the radiation field and the energy density of the magnetic field. Furthermore we find that on average the galaxies are marginally optically thick for the non-ionizing UV light. Including their extended magnetic halos, galaxies are also found to be on average marginally optically thick regarding the radiative energy losses of the Cosmic Ray electrons. Combining these semi-empirical results with the theoretical emission models we show that in the optically thick case the linear correlation between the energy densities of the radiation field and the magnetic field is a necessary condition for the existence of the observed FIR/radio correlation. Furthermore we show that the individual dispersion of the FIR to radio continuum ratio caused by uncertainties of any single one of the parameters considered is significantly less than the empirical dispersion of the FIR/radio correlation. The radio and the FIR emission are mainly determined by their sources, i.e. massive supernova precursor stars, because galaxies act in a reasonable approximation as calorimeters for the stellar UV radiation and for the energy flux of the Cosmic Ray electrons.

研究动机与目标

• 解释在正常晚型星系中观测到的紧密FIR/射电相关性的物理起源。
• 研究尽管星系参数存在变化，FIR/射电比值为何表现出最小离散性。
• 确定大质量恒星作为FIR和射电辐射主要能量来源的作用。
• 评估星系是否对紫外辐射和宇宙射线电子能量损失具有卡诺米特行为。
• 量化尘埃光学厚度、辐射场和磁场对FIR/射电比值的影响。

提出的方法

• 基于大质量恒星的能量输入，开发了射电和亚毫米波（FIR）辐射的理论模型。
• 利用114个晚型星系的样本，估算辐射场和磁场的能量密度均值。
• 测量尘埃光学厚度，并评估非电离紫外光和宇宙射线电子能量损失的光学厚度。
• 将扩展的磁晕纳入分析，以评估辐射能量损失的光学厚度。
• 结合半经验结果与理论模型，检验辐射场-磁场能量密度相关性在FIR/射电相关性中的必要性。
• 通过敏感性分析评估参数不确定性对FIR/射电比值离散性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 晚型星系中FIR/射电相关性为何具有高度紧密性和普遍性？
• RQ2 在正常晚型星系样本中，辐射场能量密度与磁场能量密度之间存在何种相关性？
• RQ3 星系对紫外辐射和宇宙射线电子能量损失的光学厚度达到何种程度？
• RQ4 尽管存在参数变化，为何FIR/射电比值表现出低本征离散性？
• RQ5 观测到的FIR/射电相关性是否源于辐射场与磁场能量密度之间的线性相关性？

主要发现

• 首次发现在晚型星系中，星际辐射场能量密度与磁场能量密度之间存在显著的线性相关性。
• 星系对非电离紫外辐射呈边缘光学厚，表明恒星紫外光被高效吸收并再辐射。
• 在包含扩展磁晕的情况下，星系对宇宙射线电子能量损失也呈边缘光学厚。
• 辐射场与磁场能量密度之间的线性相关性是光学厚状态下观测到的FIR/射电相关性的必要条件。
• 由单个参数不确定性引起的FIR/射电比值本征离散性显著小于观测到的经验离散性，表明该相关性具有强物理基础且稳健。
• 大质量恒星是FIR（通过紫外辐射加热尘埃）和射电（通过超新星产生的宇宙射线电子）能量的主要来源，且星系对这两个能量通道均表现出有效的卡诺米特行为。