[论文解读] Extragalactic magnetism with SOFIA (SALSA Legacy Program) -- V: First results on the magnetic field orientation of galaxies

Alejandro S. Borlaff, Enrique López-Rodríguez+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 4

一句话总结

本研究利用SOFIA/HAWC+首次对14个邻近星系进行了分辨的远红外（FIR）和射电（3–6 cm）偏振观测，通过磁螺旋角（Ψ_B）测量磁场取向，并引入了一种新的磁对齐参数（ζ）。研究发现，FIR所追踪的磁场比射电所追踪的磁场显著更湍流，尤其是在螺旋星系中，表明致密、多尘的恒星形成区所追踪的磁场比温暖、稀薄的星际介质（ISM）相更无序。

ABSTRACT

We present the analysis of the magnetic field ($B$-field) structure of galaxies measured with far-infrared (FIR) and radio (3 and 6 cm) polarimetric observations. We use the first data release of the Survey on extragALactic magnetiSm with SOFIA (SALSA) of 14 nearby ($<20$ Mpc) galaxies with resolved (5 arcsec-18 arcsec; $90$ pc--$1$ kpc) imaging polarimetric observations using HAWC+/SOFIA from $53$ to $214$ \um. We compute the magnetic pitch angle ($Ψ_{B}$) profiles as a function of the galactrocentric radius. We introduce a new magnetic alignment parameter ($ζ$) to estimate the disordered-to-ordered $B$-field ratio in spiral $B$-fields. We find FIR and radio wavelengths to not generally trace the same $B$-field morphology in galaxies. The $Ψ_{B}$ profiles tend to be more ordered with galactocentric radius in radio ($ζ_{ m{6cm}} = 0.93\pm0.03$) than in FIR ($ζ_{ m{154μm}} = 0.84\pm0.14$). For spiral galaxies, FIR $B$-fields are $2-75$\% more turbulent than the radio $B$-fields. For starburst galaxies, we find that FIR polarization is a better tracer of the $B$-fields along the galactic outflows than radio polarization. Our results suggest that the $B$-fields associated with dense, dusty, turbulent star-forming regions, those traced at FIR, are less ordered than warmer, less-dense regions, those traced at radio, of the interstellar medium. The FIR $B$-fields seem to be more sensitive to the activity of the star-forming regions and the morphology of the molecular clouds within a vertical height of few hundred pc in the disk of spiral galaxies than the radio $B$-fields.

研究动机与目标

• 利用多波段偏振测量研究邻近星系中的磁场结构。
• 比较远红外（FIR）与射电（3–6 cm）波段的磁场形态与有序程度。
• 通过新的磁对齐参数（ζ）量化不同星系半径处磁场的有序程度。
• 评估不同星际介质（ISM）相——致密冷尘埃发射区与温暖弥散区——中磁场组织方式的差异。
• 确定FIR偏振是否比射电偏振更能追踪星系外流中的磁场。

提出的方法

• 利用SOFIA/HAWC+对14个邻近星系（≤20 Mpc）在53–214 μm波段获取了分辨率为5–18弧秒的成像偏振数据。
• 基于像素级偏振位置角，计算磁螺旋角（Ψ_B）随星系半径的变化曲线。
• 引入一种新的磁对齐参数（ζ），用于估算螺旋磁场中无序与有序成分的比例。
• 采用蒙特卡洛模拟（10,000次迭代）将倾角、倾角和斯托克斯参数的不确定性传播至稳健的中位数Ψ_B曲线及其置信区间（68%、95%）。
• 使用atan2方法对径向区间内的Ψ_B进行平均：ȳΨ_B(R) = atan2(⟨cos Ψ_B⟩, ⟨sin Ψ_B⟩)，并采用稳健中位数估计。
• 为避免测量样本数较少区域带来的统计偏差，排除了中心2–3个光斑（4像素直径）区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在邻近星系中，远红外（FIR）所追踪的磁场取向与射电（3–6 cm）波段所追踪的磁场取向有何异同？
• RQ2 在螺旋星系与星暴星系中，FIR磁场相较于射电磁场的湍流程度在多大程度上更高？
• RQ3 磁对齐参数（ζ）是否揭示了FIR与射电波段之间磁场有序程度的系统性差异？
• RQ4 FIR偏振观测是否对致密、多尘的恒星形成区中的磁场比射电观测更敏感？
• RQ5 在星暴星系中，FIR磁场是否比射电磁场更能追踪星系外流中的磁场结构？

主要发现

• FIR与射电偏振通常不追踪相同的磁场形态，FIR显示出更复杂、更湍流的结构。
• 磁对齐参数ζ表明，6 cm射电磁场更有序（ζ_6cm = 0.93 ± 0.03），而154 μm FIR磁场有序度较低（ζ_154μm = 0.84 ± 0.14）。
• 在螺旋星系中，FIR磁场的湍流程度比射电磁场高出2–75%，表明致密、冷的ISM区域中存在更强的无序磁场分量。
• 对于星暴星系，FIR偏振比射电偏振更能追踪外流中的磁场，表明FIR对喷流中多尘气体的磁结构更敏感。
• FIR磁场对星系盘面附近约300 pc范围内的恒星形成区与分子云中的局部活动更敏感，而射电磁场则不如此。
• 致密、冷、多尘区域（由FIR追踪）的磁场比温暖、稀薄区域（由射电追踪）更无序，表明磁场组织方式具有相依赖性。