[论文解读] Galaxy cluster magnetic fields from radio polarized emission

A. Bonafede, L. Feretti+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2010

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 2被引用 7

一句话总结

本文综述了利用星系团内介质（ICM）中射电 halo、射电遗迹和射电星系的偏振射电辐射，对星系团内介质（ICM）磁场测量的最新进展。通过分析法拉第旋转测量（RM）和偏振剖面，研究发现 ICM 磁场具有湍流特性，其功率谱呈类似柯尔莫哥洛夫的形式，且随半径衰减，与星系团密度分布一致；且在具有和不具有射电 halo 的星系团之间，磁场特性无显著差异，支持再加速模型而非强子模型。

ABSTRACT

The presence of magnetic fields in the intra-cluster medium of galaxy clusters is now well estabilished. It is directly revealed by the presence of cluster-wide radio sources: radio halos and radio relics. In the last years increasing attention has been devoted to the intra cluster magnetic field through the study of polarized radio emission of radio galaxies, radio halos and radio relics. Recent radio observations have revealed important features of the intra-cluster magnetic field, allowing us to constrain its main properties and to understand the physical processes taking place in the intra-cluster medium. I will review the newest results on galaxy cluster magnetic fields, both focusing on single objects and aimed at describing the magnetic field general properties. The up-coming generation of radio telescopes, EVLA and LOFAR, will shed light on several problematics regarding the cluster magnetic fields and the related non-thermal emission.

研究动机与目标

• 利用偏振射电辐射约束星系团内介质（ICM）磁场的径向衰减和功率谱。
• 调查宿主射电 halo 的星系团与射电安静星系团之间磁场特性是否存在差异。
• 评估磁场在抑制热传导和塑造非热辐射中的作用。
• 评估下一代射电望远镜（EVLA、LOFAR）在解决星系团磁场物理领域未解问题中的影响。
• 确定射电源中观测到的去偏振趋势是否与普遍的 ICM 磁场结构一致。

提出的方法

• 利用星系团内和星系团后方扩展射电源的法拉第旋转测量（RM）成像，探测磁场涨落和功率谱。
• 应用贝叶斯分析和结构函数技术，比较模拟与观测的 RM 图像，约束磁场功率谱的最小和最大尺度。
• 使用关系式 $ B(r) = B_0 \big[1 + r^2/r_c^2\big]^{-3\tau/2} $ 建模磁场强度随半径的变化，假设其依赖于电子密度 $ n_e $。
• 分析射电星系的偏振度随距星系团中心距离的变化，以推断累积 RM 和磁场强度梯度。
• 采用类似柯尔莫哥洛夫的幂律模型 $ |B_Λ|^2 \propto \Lambda^n $ 描述磁场涨落在不同空间尺度上的分布。
• 执行统计检验（柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫检验），比较具有射电 halo 和无射电 halo 的星系团样本之间的去偏振趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系团内介质中磁场强度的径向依赖关系如何？其与热气体密度的相关性如何？
• RQ2 星系团中磁场涨落的空间功率谱是什么？其是否符合类似柯尔莫哥洛夫的形式？
• RQ3 宿主射电 halo 的星系团与不宿主射电 halo 的星系团之间，ICM 中的磁场特性是否存在显著差异？
• RQ4 ICM 中的磁场如何影响射电星系的偏振？这揭示了磁场的相干性和强度的哪些信息？
• RQ5 当前和未来的射电望远镜（EVLA、LOFAR）在多大程度上能改善对 ICM 磁场特性的约束？

主要发现

• ICM 磁场强度随半径呈幂律衰减，与 $ B(r) \propto [1 + r^2/r_c^2]^{-3\tau/2} $ 一致，与电子密度的径向衰减相符。
• 像室女座星系团和阿贝尔2382这样的星系团的法拉第 RM 图像显示，其功率谱在约 2 至 34 kpc 的空间尺度上与类似柯尔莫哥洛夫的 $ \Lambda^{-11/3} $ 倾斜度一致。
• 通过贝叶斯分析，发现 HydraA、阿贝尔400 和阿贝尔2634 的磁场功率谱在广泛尺度范围内与柯尔莫哥洛夫模型一致。
• 射电星系的偏振度随距星系团中心距离增加而上升，表明核心区域的 RM 更高，磁场更强。
• 在具有和不具有射电 halo 的星系团之间，未发现去偏振趋势的统计显著差异，表明无论是否存在弥散射电发射，ICM 磁场特性均相似。
• 结果与射电 halo 形成的强子模型不一致，但支持再加速情景，即相对论性电子通过 ICM 中的湍流被重新加速。