[论文解读] Kinematics and Dynamics of kiloparsec-scale Jets in Radio Galaxies with SKA

R. A. Laing|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 5

一句话总结

本文提出利用平方公里阵列（SKA）通过建模来自斯托克斯 I、Q 和 U 的深极化射电图像中的相对论性、本征对称流动，测量射电星系中千秒差距尺度喷流的运动学和动力学。SKA1-MID 将使弱喷流类型喷流的大样本研究成为可能，而 SKA2 对于实现强喷流类型喷流的高分辨率、高保真度成像以检验是否存在快速喷流核心和磁约束则必不可少。

ABSTRACT

We explore the use of SKA to deduce the physical parameters of kiloparsec-scale jet flows in radio galaxies. Jets in Active Galactic Nuclei are relativistic where they are first formed, but their speeds and compositions change as they propagate. It has long been known that kiloparsec-scale jets in radio galaxies can be divided into two flavours: strong (found in powerful sources, narrow and terminating in compact hot-spots) and weak (found in low-luminosity sources, geometrically flaring, unable to form hot-spots and terminating in diffuse lobes or tails). We have developed methods to model AGN jets as intrinsically symmetrical, relativistic flows by fitting to deep, well-resolved radio images in Stokes I, Q and U. This has yielded a wealth of information about the brightest few weak-flavour jets. Our first key objective is to observe large samples of weak and transition jets at 0.1 - 0.5 arcsec resolution with SKA1-MID. This would allow us to see how jet propagation depends on power and environment and to quantify the energy and momentum input into the IGM. We will require typical noise levels of 1 microJy/beam, and may be able to exploit survey imaging in some cases. Our second, more challenging, application is to determine the velocity fields in strong-flavour jets. Do they have very fast spines with bulk Lorentz factors of 5 - 10? Is there evidence for magnetic confinement by a toroidal field? What are their energy fluxes? This is a major imaging challenge for SKA2: we need resolution better than 0.05 arcsec, ideally in the 1 - 10 GHz frequency range, with rms noise levels of roughly 10 nJy/beam and extremely high dynamic range, imaging fidelity and polarization purity.

研究动机与目标

• 利用 SKA1-MID 将当前对弱喷流类型喷流的建模扩展至大样本，以实现对喷流传播及能量输入到星际介质中统计研究。
• 解决关于强喷流类型喷流速度结构长期存在的不确定性，特别是其是否包含超相对论性喷流核心（Γ ≈ 5–10）并被较慢的包层流包围。
• 确定磁场、外部环境及喷流组分在千秒差距尺度上对喷流形态与演化的影响。
• 量化喷流的能量与动量通量及其对星际介质的影响，包括加热与磁场结构的改变。
• 利用 SKA2 的高动态范围、偏振敏感成像测试喷流加速与约束的多种竞争模型。

提出的方法

• 通过将观测到的斯托克斯 I、Q 和 U 图像拟合至本征对称、相对论性流动模型，推断速度场、几何结构及三维磁场拓扑。
• 利用偏振的相对论性光行差效应，通过喷流接近侧与退行侧总强度与线偏振的不对称性，独立测量喷流整体洛伦兹因子与倾角。
• 将该方法应用于深度、高分辨的射电数据，假设轴对称、定常流动并具有平均对称性，推导速度场、质量流率与卷吸率。
• 要求动态范围 ≥10⁷:1，角分辨率 ≤0.05 arcsec，均方根噪声 ≤10 nJy/beam，以成像强喷流源中微弱的反向喷流。
• 利用 SKA1-MID 的巡天成像与深空观测（0.1–0.5 arcsec 分辨率，1 μJy/beam 噪声）开展弱喷流类型喷流的研究。
• 利用甚长基线干涉测量（VLBI）的自行数据与 X 射线观测作为约束，以检验模型对喷流洛伦兹因子与辐射机制的预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 弱喷流类型喷流的速度场为何？其与喷流减速、亮度演化及法拉罗夫-莱利二分法的关系如何？
• RQ2 在不同喷流类型中，喷流组分（质量流率、卷吸率）如何随距离活动星系核的距离而演化？
• RQ3 在千秒差距尺度上，磁场拓扑结构（有序 vs. 无序）为何？其如何影响喷流的准直与稳定性？
• RQ4 喷流的传播与约束在多大程度上由外部环境条件（如密度、压力与磁化率）决定？
• RQ5 强喷流类型喷流是否包含超相对论性喷流核心（Γ ≈ 5–10）？其准直是否由磁约束或外部压力维持？

主要发现

• SKA1-MID 将实现 0.1–0.5 arcsec 分辨率与 1 μJy/beam 噪声水平下对弱喷流类型喷流的大样本研究，使对星际介质中能量与动量输入的统计量化成为可能。
• SKA2 对实现 ≤0.05 arcsec 分辨率与 10 nJy/beam 噪声水平至关重要，以成像并建模强喷流源中微弱的反向喷流，实现动态范围 ≥10⁷:1。
• 对 NGC 6251 过渡喷流的建模显示喷流横向上存在显著的速度梯度，由侧向比值图像揭示，表明存在非均匀的整体运动。
• VLBI 自行测量表明，毫秒尺度喷流的洛伦兹因子可达 Γ ≈ 40，若在千秒差距尺度上发生显著减速，则喷流极可能被破坏。
• 若延伸喷流中的 X 射线辐射源于逆康普顿散射，则可能需要较大的整体洛伦兹因子（Γ ≳ 10），支持存在超相对论性组分的存在。
• 3C 334 的反向喷流需约 0.05 arcsec 分辨率与 ≤10 nJy/beam 噪声才能以线偏振成像与建模，这对 SKA2 也构成挑战。