[论文解读] Implications of the low frequency turn-over in the spectrum of radio knot C in DG Tau

C.-I. Björnsson|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 20被引用 2

一句话总结

本文利用低频谱转折重新评估了DG Tau原恒星喷流中射电斑块C的磁场强度，揭示其最小磁场强度至少为10 mG——比先前估计高出两个数量级。这一修正源于对发射体积的高估以及在最小磁场计算中忽略了谱指数依赖性，表明其体积填充因子较低，且处于以激波为主导的环境，可能存在相对论性电子的预加速过程。

ABSTRACT

The synchrotron spectrum of radio knot C in the protostellar object DG Tau has a low frequency turn-over. This is used to show that its magnetic field strength is likely to be at least 10 mG, which is roughly two orders of magnitude larger than previously estimated. The earlier, lower value is due to an overestimate of the emission volume together with an omission of the dependence of the minimum magnetic field on the synchrotron spectral index. Since the source is partially resolved, this implies a low volume filling factor for the synchrotron emission. It is argued that the high pressure needed to account for the observations is due to shocks. In addition, cooling of the thermal gas is probably necessary in order to further enhance the magnetic field strength as well as the density of relativistic electrons. It is suggested that the observed spectral index implies that the energy of the radio emitting electrons is below that needed to take part in first order Fermi acceleration. Hence, the radio emission gives insights to the properties of its pre-acceleration phase. Attention is also drawn to the similarities between the properties of radio knot C and the shock induced radio emission in supernovae.

研究动机与目标

• 利用新探测到的低频谱转折，重新评估DG Tau射电斑块C的磁场强度。
• 解决先前磁场强度估计中因对发射体积假设错误以及忽略最小磁场公式中谱指数依赖性而产生的不一致。
• 研究由修正后的磁场强度所暗示的物理条件，特别是激波特性和粒子加速机制。
• 探讨观测到的谱指数对原恒星喷流中相对论性电子预加速阶段的影响。
• 将射电斑块C的特性与超新星激波诱导的射电辐射进行比较，识别共同的物理机制。

提出的方法

• 分析低频射电观测（GMRT和LOFAR），检测射电斑块C同步辐射中的谱转折。
• 应用同步辐射自吸收理论，利用观测到的流量密度和谱指数推断源参数。
• 基于附录中公式(A11)至(A14)重新计算最小磁场强度，使用修正后的发射体积和谱指数依赖性。
• 利用亮度温度和光学深度关系约束电子能量分布和辐射几何结构。
• 结合观测到的谱指数，评估一阶费米加速和粒子注入机制的作用。
• 将推导出的特性与超新星激波诱导的射电辐射特性进行比较，评估物理类比性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低频谱转折的条件下，DG Tau射电斑块C的真实磁场强度是多少？
• RQ2 为何先前的磁场强度估计显著偏低？其错误的物理假设是什么？
• RQ3 修正后的磁场强度对同步辐射发射区域的体积填充因子和几何结构有何含义？
• RQ4 哪些物理机制——特别是激波或冷却过程——可以解释由磁场强度推断出的高压环境？
• RQ5 观测到的谱指数是否表明相对论性电子仍处于一阶费米加速的能量阈值以下，这对其在原恒星喷流中粒子注入意味着什么？

主要发现

• 射电斑块C中的最小磁场强度至少为10 mG，比先前估计高出100倍。
• 早期磁场强度计算的高估源于对发射体积的错误假设以及在最小磁场公式中忽略了谱指数依赖性。
• 源的非完全分辨特性表明同步辐射发射的体积填充因子较低，暗示其呈纤维状或团块状结构。
• 高磁场和高压力与发射源自激波后方一致，极有可能由喷流与周围介质相互作用驱动。
• 热气体的冷却可能有助于增强磁场和相对论性电子的密度。
• 观测到的谱指数表明，相对论性电子尚未达到一阶费米加速的能阈，表明其处于预加速阶段。