[论文解读] Magnetic fields and star formation in spiral galaxies

M. Krause|ArXiv.org|Jun 12, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 29

一句话总结

本研究利用射电连续谱和偏振数据，分析旋涡星系中的磁场，发现总磁场和非热磁场强度随恒星形成率（SFR）非线性增长，而规则磁场强度和大尺度磁场结构则与SFR无关。尽管恒星形成率不同，侧向星系的薄盘和厚盘垂直标高（0.3/1.8 kpc）相似，表明总磁场强度调控星系风速度，而非SFR。

ABSTRACT

The main observational results from radio continuum and polarization observations about the magnetic field strength and large-scale pattern for face-on and edge-on spiral galaxies are summarized and compared within our sample of galaxies of different morphological types, inclinations, and star formation rates (SFR). We found that galaxies with low SFR have higher thermal fractions/smaller synchrotron fractions than those with normal or high SFR. Adopting an equipartition model, we conclude that the nonthermal radio emission and the \emph{total magnetic field} strength grow nonlinearly with SFR, while the regular magnetic field strength does not seem to depend on SFR. We also studied the magnetic field structure and disk thicknesses in highly inclined (edge-on) galaxies. We found in four galaxies that - despite their different radio appearance - the vertical scale heights for both, the thin and thick disk/halo, are about equal (0.3/1.8 kpc at 4.75 GHz), independently of their different SFR. This implies that all these galaxies host a galactic wind, in which the bulk velocity of the cosmic rays (CR) is determined by the total field strength within the galactic disk. The galaxies in our sample also show a similar large-scale magnetic field configuration, parallel to the midplane and X-shaped further away from the disk plane, independent of Hubble type and SFR in the disk. Hence we conclude that also the large-scale magnetic field pattern does not depend on the amount of SFR.

研究动机与目标

• 研究旋涡星系中磁场特性与恒星形成率（SFR）之间的关系。
• 确定不同形态和SFR的星系中大尺度磁场构型和盘面标高如何变化。
• 基于观测到的标高和磁场结构，评估星系风是否由总磁场强度而非SFR驱动。
• 检验规则磁场和大尺度磁场图案是否与SFR和哈勃类型无关的假设。

提出的方法

• 利用多个波长（如3.6 cm和6.2 cm）的射电连续谱和线性偏振观测，测量总强度和偏振强度。
• 应用法拉第旋转测量（RM）分析，校正法拉第旋转，并推断视线方向的磁场分量。
• 采用能量平分模型，从非热射电辐射估算总磁场强度。
• 通过本征偏振矢量和RM图重建磁场几何结构，揭示三维磁场构型。
• 在侧向星系中测量射电发射的垂直标高，以推断星系风的存在及其特性。
• 对11个侧向星系和41个邻近旋涡星系进行统计分析，关联SFR、偏振度和磁场规则性。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋涡星系中的总磁场强度如何与恒星形成率（SFR）相关？
• RQ2 规则磁场的强度或结构是否依赖于SFR或哈勃类型？
• RQ3 侧向星系中射电发射的垂直标高由什么决定——SFR还是总磁场强度？
• RQ4 为何恒星形成率差异巨大的星系表现出相似的大尺度磁场构型和盘面标高？
• RQ5 基于观测到的标高，能否推断星系风速度由总磁场强度而非SFR调控？

主要发现

• 低SFR星系的热辐射成分更高，非热同步辐射成分更低，相较于正常或高SFR星系。
• 非热射电辐射和总磁场强度随SFR非线性增长，而规则磁场强度与SFR无显著依赖关系。
• 尽管SFR和形态不同，四个侧向星系（包括NGC 891和NGC 4631）在4.75 GHz波段的垂直标高几乎相同：薄盘为0.3 kpc，厚盘/晕为1.8 kpc。
• 所有观测星系的大尺度磁场均呈现上下对称的X形结构，与哈勃类型或SFR无关。
• 在更明亮的星系中（L > 2×10²¹ W Hz⁻¹），偏振度较低，这些星系也具有更高的SFR，表明高SFR环境中的磁场规则性降低。
• 不同星系中相似的标高和磁场构型表明，总磁场强度而非SFR调控星系风速度。