[论文解读] Galactic halo bubble magnetic fields and UHECR deflections

Vasundhara Shaw, A. van Vliet+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究利用30 GHz的偏振同步辐射发射数据，结合普朗克（Planck）观测数据，对银河系晕泡区域的磁场结构进行建模，并将所得磁场参数应用于超高能宇宙射线（UHECR）传播模拟。结果表明，晕泡区域的磁场可导致极端偏转（≥80°）和通量抑制（低至2%），尤其针对来自本地源的UHECR，表明此类磁场在银河系内宇宙射线传播中起主导作用。

ABSTRACT

We consider the synchrotron emission from electrons out in the Galactic halo bubble region where the Fermi bubble structures reside. Utilising a simple analytical expression for the non-thermal electron distribution and a toy magnetic field model, we simulate polarised synchrotron emission maps at a frequency of 30~GHz. Comparing these maps with observational data, we obtain constraints on the parameters of our toy Galactic halo bubble magnetic field model. Utilising this parameter value range for the toy magnetic field model, we determine the corresponding range of arrival directions and suppression factors of ultra high energy cosmic rays (UHECRs) from potential local source locations. We find that high levels of flux suppression (down to 2\%) and large deflection angles ($\geq 80^{\circ}$) are possible for source locations whose line-of-sight pass through the Galactic halo bubble region. We conclude that the magnetic field out in the Galactic halo bubble region can strongly dominate the level of deflection UHECRs experience whilst propagating from local sources to Earth.

研究动机与目标

• 利用偏振同步辐射发射数据约束银河系晕泡区域的磁场结构。
• 研究晕泡区域磁场对超高能宇宙射线（UHECR）传播的影响。
• 确定来自本地河外源的UHECR的偏转角范围与通量抑制因子。
• 评估晕泡磁场在塑造地球观测到的UHECR到达方向与通量中的作用。
• 提供一个与费米（Fermi）和eROSITA晕泡多波段观测一致的、具有物理解释的磁场模型。

提出的方法

• 构建一个简化的磁场模型以描述银河系晕泡区域，包含湍流分量与大尺度磁场分量。
• 利用解析的非热电子能谱与该简化的磁场模型，模拟30 GHz的同步辐射发射图。
• 将模拟的偏振同步辐射图与普朗克30 GHz全天数据进行比较，以约束模型参数。
• 将最优拟合的磁场参数作为输入，利用CRPropa 3进行宇宙射线传播模拟。
• 计算来自候选本地源（如NGC 253和半人马座A）的UHECR的偏转角与通量抑制因子。
• 传播不确定性被传播以评估可能的UHECR偏转与通量调制范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种银河系晕泡区域磁场构型最能重现30 GHz处观测到的偏振同步辐射发射？
• RQ2 晕泡区域的磁场如何影响超高能宇宙射线的偏转与通量抑制？
• RQ3 晕泡磁场在多大程度上主导来自本地河外源的UHECR偏转？
• RQ4 通过晕泡磁场时，UHECR的偏转角与通量抑制因子的预期范围是什么？
• RQ5 所推导的磁场参数与费米（Fermi）、eROSITA及法拉第旋转测量的独立估计结果如何比较？

主要发现

• 银河系晕泡区域最优拟合磁场强度约为7 µG，主要由6.72 µG的湍流分量主导，空间范围可延伸至银河平面以上6 kpc。
• 晕泡区域的总磁场能量估算约为10^55 erg，与先前基于同步辐射的估计一致，但低于eROSITA对热能的推断值（约10^56 erg）。
• 穿过晕泡磁场的UHECR经历的偏转角至少为80°，特定源位置的通量抑制可低至2%。
• 对于最优拟合磁场模型，NGC 253与半人马座A的UHECR平均角弥散约为30°，与平流层望远镜（Pierre Auger Observatory）的观测结果一致。
• 本研究证明，晕泡磁场可成为来自附近河外源的UHECR偏转的主导来源，显著改变其观测到的到达方向。
• 未来对快速射电暴（FRBs）及色散/法拉第旋转测量的观测，或可进一步约束晕泡区域的磁场与热气体分布。