[论文解读] Cosmic rays and the magnetic field in the nearby starburst galaxy NGC 253 I. The distribution and transport of cosmic rays

V. Heesen, Rainer Beck+2 more|University of Hertfordshire Research Archive (University of Hertfordshire)|Dec 1, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 31被引用 14

一句话总结

本研究利用在6.2 cm、3.6 cm、20 cm和90 cm波长的高动态范围射电连续谱观测，研究了星暴星系NGC 253中的宇宙射线（CR）输运。通过分析宇宙射线电子（CRE）寿命下的谱老化与尺度高度演化，发现东北侧星系晕中宇宙射线的平均速度为300 ± 30 km s⁻¹，与逃逸速度一致，表明存在宇宙射线驱动的盘状风；而西南侧星系晕则表现出扩散输运，扩散系数为2.0 ± 0.3 × 10²⁹ cm² s⁻¹。

ABSTRACT

The diffusive and convective CR transport in NGC 253 from the disk into the halo is investigated using the local CR bulk speed. The connection between the CR transport and the galactic wind is outlined. We observed NGC 253 with the VLA at lambda 6.2 cm in a mosaic with 15 pointings. The missing zero-spacing flux density of the VLA mosaic was filled in using observations with the 100-m Effelsberg telescope. We also obtained a new lambda 3.6 cm map from Effelsberg observations and reproduced VLA maps at lambda 20 cm and lambda 90 cm. We find a thin and a thick radio disk with exponential scaleheights of 0.3 kpc and 1.7 kpc at lambda 6.2 cm. The equipartition total magnetic field strength between 7 micro G and 18 micro G in the disk is remarkably high. We use the spectral aging of the cosmic ray electrons (CREs) seen in the vertical profiles of the spectral index to determine a lower limit for the global CR bulk speed as (170+/-70) km/s. The linear correlation between the scaleheights and the CRE lifetimes, as evident from the dumbbell shaped halo, requires a vertical CR transport with a bulk speed of (300+/-30) km/s in the northeastern halo, similar to the escape velocity of 280 km/s. This shows the presence of a "disk wind" in NGC253. In the southwestern halo, the transport is mainly diffusive with a diffusion coefficient of (2.0+/-0.2) 10E29 cm^2 s^-1. In the northeastern halo, the CR transport is convective and more efficient than in the southwestern halo. The luminous material is transported by the disk wind, which can explain the different amounts of extra-planar HI, Halpha, and soft X-ray emission in the two halo parts. Future low-frequency radio observations will provide the data to analyze the vertical velocity profile of galactic winds.

研究动机与目标

• 研究星暴星系NGC 253中宇宙射线（CRs）的垂直输运机制。
• 确定在星系晕不同区域中，对流还是扩散主导宇宙射线输运。
• 通过谱老化与尺度高度测量，将宇宙射线输运与星系风的存在联系起来。
• 利用多波长射电连续谱数据，约束宇宙射线平均速度与扩散系数。
• 通过宇宙射线驱动的动力学解释星系晕中额外平面H I、Hα与软X射线发射在东北侧比西南侧更显著的不对称分布。

提出的方法

• 在λ6.2 cm波段使用VLA进行15个指向的镶嵌观测，以实现高角分辨率与高灵敏度。
• 利用100米埃费尔斯伯格望远镜的单天线观测填补缺失的零基线流量密度。
• 重现了VLA在λ20 cm和λ90 cm波段的图像，并基于埃费尔斯伯格数据获得了新的λ3.6 cm图像。
• 实施了一套专门的数据校准方案，以应对强核点源带来的高动态范围需求。
• 利用宇宙射线电子（CREs）的谱老化，通过垂直距离（z）的谱指数梯度推断CRE寿命。
• 在假设垂直输运占主导的前提下，将宇宙射线平均速度计算为总功率尺度高度与CRE寿命的比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 253星系晕中宇宙射线的主导输运机制（对流与扩散）是什么？
• RQ2 宇宙射线输运进入星系晕的平均速度是多少？与逃逸速度相比如何？
• RQ3 为何额外平面气体相（H I、Hα、软X射线）在东北侧星系晕中比在西南侧更显著？
• RQ4 射电同步辐射发射的尺度高度与宇宙射线电子寿命之间有何相关性？
• RQ5 观测到的随高度增加的谱指数变陡是否可仅由同步辐射损失解释？

主要发现

• 东北侧星系晕表现出一个厚实的射电盘，在λ6.2 cm波段的尺度高度为1.7 kpc，且随宇宙射线电子（CRE）寿命线性增加，表明垂直输运占主导。
• 谱指数随垂直距离（z）线性变陡，与强同步辐射损失一致；电离与轫致辐射损失可忽略不计。
• 东北侧星系晕中宇宙射线的平均速度为300 ± 30 km s⁻¹，与280 km s⁻¹的逃逸速度一致，表明宇宙射线驱动的盘状风已逃逸引力势阱。
• 在西南侧星系晕中，宇宙射线输运主要为扩散型，测得的扩散系数为2.0 ± 0.3 × 10²⁹ cm² s⁻¹。
• 星系盘中总磁场强度为7–18 μG，表明该星暴星系具有极为强磁场。
• 额外平面气体相（H I、Hα、软X射线）的不对称分布，可通过东北侧星系晕中更高效的宇宙射线驱动对流来解释。