[论文解读] High-resolution radio continuum survey of M33 II. Thermal and nonthermal emission

F. S. Tabatabaei, R. Beck+5 more|ArXiv.org|Aug 20, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 35被引用 52

一句话总结

本研究提出一种新方法，利用消光校正后的Hα发射作为模板，分离M33中的热（自由-自由）与非热（同步辐射）射电发射，实现了非热谱指数的首张高分辨率图。关键结果表明，相对论性电子在从星形成区扩散至旋臂间区域时会损失能量，且在R ≈ 4.5 kpc以外，非热发射占主导地位。

ABSTRACT

We determine the variation in the nonthermal radio spectral index in the nearby spiral galaxy M33 at a linear resolution of 360 pc. We separate the thermal and nonthermal components of the radio continuum emission without the assumption of a constant nonthermal spectral index. Using the Spitzer FIR data at 70 and 160 $μ$m and a standard dust model, we deredden the H$α$ emission. The extinction corrected H$α$ emission serves as a template for the thermal free-free radio emission. Subtracting from the observed 3.6 cm and 20 cm emission (Effelsberg and the VLA) this free-free emission, we obtain the nonthermal maps. A constant electron temperature used to obtain the thermal radio intensity seems appropriate for M~33 which, unlike the Milky Way, has a shallow metallicity gradient. For the first time, we derive the distribution of the nonthermal spectral index across a galaxy, M33. We detect strong nonthermal emission from the spiral arms and star-forming regions. Wavelet analysis shows that at 3.6 cm the nonthermal emission is dominated by contributions from star-forming regions, while it is smoothly distributed at 20 cm. For the whole galaxy, we obtain thermal fractions of 51% and 18% at 3.6 cm and 20 cm, respectively. The thermal emission is slightly stronger in the southern than in the northern half of the galaxy. We find a clear radial gradient of mean extinction in the galactic plane. The nonthermal spectral index map indicates that the relativistic electrons suffer energy-loss when diffusing from their origin in star-forming regions towards interarm regions and the outer parts of the galaxy. We also conclude that the radio emission is mostly nonthermal at R $>$ 5 kpc in M33.

研究动机与目标

• 在不假设非热谱指数恒定的前提下，精确分离M33中的热与非热射电发射。
• 通过研究非热谱指数的空间变化，探究宇宙射线电子的起源与传播机制。
• 通过利用斯皮itzer 70和160 μm数据校正Hα发射的尘埃消光，改进热发射的估计。
• 解决标准方法中假设非热谱指数恒定所导致的热发射分数估计偏差。
• 分析银河系旋涡结构中非热发射与谱指数的径向和方位角变化。

提出的方法

• 利用斯皮itzer 70和160 μm图像建模尘埃消光，并校正Hα发射的尘埃吸收。
• 假设电子温度恒定（8000–10,000 K），从消光校正后的Hα图中推导热自由-自由射电发射。
• 从埃菲尔施伯格和VLA观测的3.6 cm与20 cm射电图中减去建模的热发射，以分离非热发射。
• 通过拟合3.6 cm与20 cm非热成分的流量比，构建非热谱指数图。
• 应用小波分析，比较不同波长下非热发射的空间结构。
• 利用径向与方位角剖面，将新方法与标准恒定谱指数方法进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 非热谱指数在M33中如何变化？这揭示了宇宙射线电子能量损失的何种信息？
• RQ2 M33中热与非热射电发射的真实分布是怎样的，特别是在旋臂与旋臂间区域？
• RQ3 标准方法中假设非热谱指数恒定，对热发射分数估计有何影响？
• RQ4 尘埃消光在多大程度上导致基于Hα的热发射模板产生偏差？如何进行校正？
• RQ5 在M33的哪个区域，非热发射主导总射电发射？这对宇宙射线传播有何启示？

主要发现

• 非热谱指数从星形成区的αₙ ≈ 0.6 ± 0.1增加至旋臂间及外区的αₙ ≈ 1.2 ± 0.2，表明电子在扩散过程中损失能量。
• 在3.6 cm波段热发射分数为51% ± 4%，在20 cm波段为18%，存在显著的南北不对称性：北部为47%，南部为53%。
• 标准方法高估了热发射分数（3.6 cm波段为63% ± 5%），而新方法将不确定性降低至17%。
• 非热发射比热发射分布更平滑，其指数尺度长度超过两倍。
• 非热谱指数图显示，总射电发射在星系中心半径R > 4.5 kpc的区域由非热发射主导。
• 小波分析表明，3.6 cm波段的非热发射主要由离散的星形成区主导，而20 cm波段则分布更平滑。