[论文解读] Future Observations of Cosmic Magnetic Fields with the SKA and its Precursors

R. Beck|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2011

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，平方公里阵列（SKA）及其前身——LOFAR、ASKAP和MeerKAT——将通过深度广域射电巡天，彻底革新对宇宙磁场的研究。通过测绘极化源的同步辐射发射和法拉第旋转测量（RMs），SKA将以前所未有的灵敏度和分辨率追踪星系、星系团及星系际介质中的磁场，从而首次实现对宇宙磁学起源与演化在整个宇宙时空中直接约束。

ABSTRACT

The origin of magnetic fields in the Universe is an open problem in astrophysics and fundamental physics. Polarization observations with the forthcoming large radio telescopes, especially the Square Kilometre Array (SKA), will open a new era in the observation of magnetic fields and should help to understand their origin. Low-frequency radio synchrotron emission, to be observed with LOFAR, MWA and the SKA, traces low-energy cosmic ray electrons and allows us to map the structure of weak magnetic fields in the outer regions and halos of galaxies, in halos and relics of galaxy clusters and in the Milky Way. Polarization at higher frequencies (1-10 GHz), to be observed with the SKA and its precursors ASKAP and MeerKAT, will trace magnetic fields in the disks and central regions of galaxies and in cluster relics in unprecedented detail. All-sky surveys of Faraday rotation measures towards a dense grid of polarized background sources with ASKAP (project POSSUM) and the SKA are dedicated to measure magnetic fields in intervening galaxies, clusters and intergalactic filaments, and will be used to model the overall structure and strength of magnetic fields in the Milky Way. "Cosmic Magnetism" is key science for LOFAR, ASKAP and the SKA.

研究动机与目标

• 研究宇宙磁场在宇宙时空中起源与演化的机制。
• 开发基于SKA及其前身的观测策略，以测绘星系、星系团及星系际介质中的磁场。
• 利用极化源的RM网格，实现对银河系及邻近星系中磁场结构的高精度三维重建。
• 探测或约束相干长度约为几Mpc的大尺度星系际磁场的存在。
• 利用深度全天巡天，检验宇宙磁学理论模型，包括发电机理论和原初磁场生成机制。

提出的方法

• 利用LOFAR、MWA和SKA的低频射电同步辐射发射（70–450 MHz），追踪星系晕和星系际丝状结构中微弱的磁场。
• 利用SKA、ASKAP和MeerKAT的高频偏振观测（1–10 GHz），测绘星系盘和星系团遗迹中有序磁场的分布。
• 通过ASKAP（POSSUM）和SKA对密集极化背景源网格进行全天巡天，测绘法拉第旋转测量（RMs）以揭示中间磁场结构。
• 利用SKA的脉冲星巡天，获取数千个高精度RM测量值，实现对银河系磁场的三维高精度测绘。
• 通过RM功率谱的统计分析及与大尺度结构的交叉相关，探测微弱而弥散的星系际磁场。
• 结合SKA多个频段及不同阵列类型（孔径阵列与抛物面天线）的数据，实现大视场、高灵敏度和亚角秒级分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 低频同步辐射所追踪的星系晕和星系际介质中，磁场的强度与空间结构如何？
• RQ2 SKA能否通过偏振发射和法拉第旋转探测并测绘遥远星系及星系团遗迹中的有序磁场？
• RQ3 深度全天RM巡天（如POSSUM和SKA）能对星系际磁场的存在性与相干性施加何种约束？
• RQ4 通过高红移源（z ≈ 5）的RM网格推断，磁场强度与构型如何随宇宙时间演化？
• RQ5 统计方法（如RM功率谱分析）能否探测到相干长度为数Mpc的弥散原初星系际磁场？

主要发现

• SKA在1 GHz频率下每平方度将探测至少1.5 × 10^7个法拉第旋转测量值，平均源间距约90角秒，从而实现对银河系及中间星系磁场的详细三维测绘。
• ASKAP的POSSUM巡天每10小时积分可测量约100个RM每平方度，为银河系及河外结构的磁场建模提供高密度RM网格。
• SKA脉冲星巡天预计发现约20,000颗新脉冲星，其中在M31区域将获得超过10,000个RM值，从而实现对银河系磁场的高精度三维重建。
• 当RM源密度达到每平方度约1000个时，SKA将探测到星系际介质中约0.1 nG强度、相干长度为几Mpc的磁场。
• 对于相干长度为1–3 Mpc、电子密度约10^{-5} cm^{-3}的星系际磁场，预期法拉第旋转测量值在0.1至1 rad m^{-2}之间，可通过RM数据的统计分析探测到。
• RM网格方法可探测到红移z ≈ 3以内的遥远星系中强度达数μG的有序磁场，与平均场发电机理论预测一致。