[论文解读] Limits on Magnetic Fields and Relativistic Electrons in the Coma Cluster from Multifrequency Observations

T. A. Enßlin, Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 1997

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 2被引用 8

一句话总结

本文利用射电与X射线的多频观测，约束了Coma星系团射电晕中磁场强度与相对论性电子种群。通过建模宇宙微波背景与热X射线光子的逆康普顿散射，推导出中心磁场强度的下限为 B₀ > 0.3 μG，该结果与最小能量估算一致，并表明若磁场低于1.2 μG，星系团的极端紫外超额可能源于逆康普顿散射。

ABSTRACT

Relativistic electrons, seen in the large diffuse radio halo of the Coma cluster of galaxies, should scatter background photons to higher energies. We calculate the inverse Compton contributions from the microwave background, from the local radiation field of elliptical galaxies and from the thermal X-ray emission of the intra cluster medium to the different observed energy bands, and draw restrictions to the shape of the spectrum of the relativistic electron population. The expected electron spectra in different halo formation models are discussed, and signatures for a future distinction of these models are presented, tracing the injection processes and the influence of optical thickness of the radio halo for very low frequency emission due to synchrotron self absorption. Some of the upper limits on the electron spectrum translate into lower limits of the halo magnetic fields, since the observed synchrotron radiation is known. Despite uncertainties in the extrapolation of the radio spectrum to lower frequencies a lower limit to the central field strength of B_o > 0.3 muG seems to be sure. This is comparable to the value resulting from minimal energy arguments. If B_o < 1.2 muG, the recently reported extreme ultraviolet excess of Coma (Lieu et al. 1996) could result from inverse Compton scattered microwave photons. Formulae for transrelativistic Thomson scattering are given in the Appendix.

研究动机与目标

• 通过同步辐射与逆康普顿辐射模型，确定Coma星系团射电晕中磁场强度的下限。
• 基于观测到的射电、微波与X射线辐射，约束相对论性电子能量谱的形态。
• 评估近期报告的Coma星系团极端紫外超额是否可由微波光子的逆康普顿散射解释。
• 评估低频射电辐射中同步辐射自吸收的影响及其对晕形成模型的启示。
• 通过谱型建模与观测特征，区分晕形成过程中不同的电子注入机制。

提出的方法

• 建模Coma星系团晕中相对论性电子对宇宙微波背景（CMB）光子的逆康普顿散射。
• 包含椭圆星系局部辐射场与星系际介质热X射线发射的贡献。
• 利用观测到的同步辐射，推导对电子能量谱与磁场强度的约束。
• 应用附录中提供的公式，对相对论性汤姆孙散射进行改进，以提高相关能量区间的准确性。
• 将观测到的射电谱外推至低频，以评估同步辐射自吸收效应与光学厚度。
• 将理论预测与射电、微波与X射线波段的多频数据进行比较，以检验不同晕形成模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与Coma星系团射电晕中观测到的同步辐射一致的磁场强度最小值是多少？
• RQ2 Coma星系团中观测到的极端紫外超额是否可由CMB光子的逆康普顿散射解释？
• RQ3 相对论性电子能量谱的形态在多大程度上影响不同能量波段中预测的逆康普顿辐射？
• RQ4 低频射电波段中的同步辐射自吸收在多大程度上影响对晕低频谱特性的解释？
• RQ5 哪些观测特征可在未来用于区分Coma星系团射电晕形成过程中不同的电子注入模型？

主要发现

• 基于同步辐射约束，确立了Coma星系团中心磁场强度的下限为 B₀ > 0.3 μG。
• 该下限与最小能量论证所得结果一致，增强了其物理合理性。
• 若磁场低于1.2 μG，近期报告的Coma星系团极端紫外超额可归因于微波光子的逆康普顿散射。
• 模型表明，相对论性电子谱的形态显著影响微波与X射线波段中预测的逆康普顿辐射。
• 低频射电波段的同步辐射自吸收引入了光学厚效应，影响对晕低频谱的解释。
• 本研究识别出潜在的观测特征——如谱曲率与低频谱转折——未来可用于区分不同电子注入模型。