[论文解读] A Re-examination of the Distribution of Galactic Free Electrons

Gilberto C. Gómez, Robert A. Benjamin+1 more|ArXiv.org|May 23, 2001

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 84被引用 5

一句话总结

本文利用109颗脉冲星的独立距离测量结果，重新评估了银河系自由电子的分布。提出了一种具有指数垂直分布的双组分轴对称模型，得出局部银道面密度分别为2.03×10⁻² cm⁻³和0.71×10⁻² cm⁻³，对应尺度高度分别为1.07 kpc和0.053 kpc，厚盘组分表现出极小的径向变化，而薄盘组分具有几kpc量级的短径向标长。

ABSTRACT

We present a list of 109 pulsars with independent distance information compiled from the literature. Since the compilation of Frail & Weisberg, there are 35 pulsars with new distance estimate and 25 pulsars for which the distance or distance uncertainty have been revised. We used this data to fit a smooth, axisymmetric, two disk model of the distribution of galactic electrons. The two exponential model components have mean local midplane densities at the solar circle of 2.03e-2 cm^-3 and 0.71e-2 cm^-3, and scale heights of 1.07 and 0.053 kpc. The thick component shows very little radial variation, while the second has a radial scale length of only a few kiloparsecs. We also examined a model which varies as sech^2(x), rather than exp(-x), in both the radial and vertical direction. We prefer this model with no midplane cusp, but find that the fit parameters essentially describe the same electron distribution. The distances predicted by this distribution have a similar scatter as the more complex model of Taylor & Cordes. We examine the pulsars that deviate strongly from this model. There are two regions of enhanced dispersion measure, one of which correlates well with the Sagittarius-Carina spiral arm. We find that the scatter of the observed dispersion measure from the model is not fit well by either a normal or log-normal distribution of lump sizes, but may be caused instead by the uncertainties in the distances.

研究动机与目标

• 利用更大、更新的脉冲星数据集（独立测量距离）更新银河系自由电子分布模型。
• 在新距离测量和修订不确定度的背景下，评估Taylor & Cordes (1993)模型的有效性。
• 探究观测到的色散量散度是否源于暖电离介质中的本征不均匀性，或距离测量的不确定度。
• 探索替代的电子密度分布形式，包括sech²(r)和sech²(z)函数，以在不出现银道面尖峰的情况下更准确地描述分布。
• 识别色散量异常区域，并将其与已知的旋臂结构（如人马座-船尾臂）相关联。

提出的方法

• 从文献中整理出109颗脉冲星的独立距离估计数据集，其中包含35项新测量和25项自Frail & Weisberg (1990)以来的修订距离。
• 将具有指数垂直和径向分布的双组分轴对称模型拟合至观测到的色散量和脉冲星距离。
• 采用sech²(r)和sech²(z)函数形式作为标准指数模型的替代，以避免银道面出现尖峰。
• 通过比较新轴对称模型与Taylor & Cordes模型在预测距离与观测距离之间的表现，评估其预测能力。
• 分析色散量残差，以判断散度是否符合正态或对数正态的团块大小分布。
• 利用WHAM Hα巡天数据和更新的HII区域星表，以支持旋臂结构信息并改进模型约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 35项新测量和25项修订的脉冲星距离测量结果的纳入，如何影响对银河系中自由电子分布的推断？
• RQ2 色散量在模型预测值周围的散度是否符合电子密度涨落的正态或对数正态分布？
• RQ3 采用sech²(r)和sech²(z)分布的双组分轴对称模型，是否能比标准指数模型更好地描述电子分布？
• RQ4 色散量偏差在多大程度上与已知的旋臂结构（如人马座-船尾臂）相关？
• RQ5 观测距离与预测距离之间的差异，主要源于距离估计的不准确，还是源于暖电离介质中的本征非均匀性？

主要发现

• 双组分模型得出的局部银道面电子密度分别为2.03×10⁻² cm⁻³（厚盘）和0.71×10⁻² cm⁻³（薄盘），对应尺度高度分别为1.07 kpc和0.053 kpc。
• 厚盘组分表现出极小的径向变化，而薄盘组分的径向标长仅为几kpc量级。
• 由于避免了银道面尖峰，sech²(r)和sech²(z)模型优于指数模型，但其描述的电子分布与标准参数几乎完全一致。
• 新模型预测的距离散度与更复杂的Taylor & Cordes模型相当，表明其具有相似的预测精度。
• 识别出两处色散量增强区域，其中一处与人马座-船尾旋臂强烈相关，提示存在局部电子密度增强。
• 观测到的色散量散度无法很好地拟合正态或对数正态的团块大小分布，可能主要由脉冲星距离估计的不确定度驱动。