[论文解读] Magnetic fields in barred galaxies III: The southern peculiar galaxy NGC 2442

J. I. Harnett, M. Ehle+6 more|ArXiv.org|Oct 16, 2003

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用 14

一句话总结

本研究利用澳大利亚望远镜紧凑阵列的6厘米波长射电连续谱观测，结合Hα数据，调查了奇特棒旋星系NGC 2442中的磁场结构。结果揭示了星系东部存在一个异常强烈、有序的磁场'岛'，可能是一段因过去恒星形成事件而发生相位偏移的磁力臂，其平均场强约为15 μG，并显示出宇宙射线电子在约5 kpc距离上的输运证据，表明磁场结构可长期存在，且与当前的恒星形成活动无关。

ABSTRACT

Observations of the southern peculiar galaxy NGC 2442 with the Australia Telescope Compact Array in total and linearly polarized radio continuum at 6cm are presented and compared with previously obtained H$α$ data. The distribution of polarized emission, a signature of regular magnetic fields, reveals some physical phenomena which are unusual among spiral galaxies. We find evidence for tidal interaction and/or ram pressure from the intergalactic medium compressing the magnetic field at the northern and western edges of the galaxy. The radial component of the regular magnetic field in the northern arm is directed away from the centre of the galaxy, a finding which is in contrast to the majority of galaxies studied to date. The oval distortion caused by the interaction generates a sudden jump of the magnetic field pattern upstream of the inner northern spiral arm, similar to galaxies with long bars. An unusual ``island'' of strong regular magnetic field east of the galaxy is probably the brightest part of a magnetic arm frequently seen in spiral galaxies, which appear to be phase-shifted images of the preceding optical arm. The strong magnetic field of the ``island'' indicates a past phase of active star formation when the preceding optical arm was exposed to ram pressure.

研究动机与目标

• 调查奇特棒旋星系NGC 2442中大尺度有序磁场的结构与起源。
• 确定星系际介质的潮汐相互作用与冲压压力如何影响磁场形态。
• 探讨在无当前恒星形成活动的旋臂间区域中，强而有序磁场的动力学重要性。
• 检验NGC 2442中的磁力臂是否为过去光学旋臂的相位偏移图像，从而保留了过去恒星形成的记忆。

提出的方法

• 利用澳大利亚望远镜紧凑阵列（ATCA）在45角秒分辨率下对6厘米波长的总辐射与线性偏振射电连续谱进行观测。
• 将偏振射电发射与Hα发射进行比较，以识别电离气体区域及恒星形成活动区域。
• 估算宇宙射线电子的扩散 timescale 与能量损失 timescale，以推断磁场强度与粒子输运特性。
• 采用阿尔文速度缩放模型模拟宇宙射线扩散，假设其与阿尔文速度成反比。
• 分析法拉第旋转与偏振图案，以推断有序磁场的几何构型与方向。
• 与磁力臂的理论模型进行比较，包括旋臂间区域中增强的发电机效应与慢速磁流体力波。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么原因导致在NGC 2442东部、一个无当前恒星形成的旋臂间区域，形成了一个强而孤立的有序磁场'岛'？
• RQ2 潮汐相互作用与星系际介质的冲压压力如何压缩并扭曲NGC 2442北侧与西侧的磁场？
• RQ3 为何NGC 2442北侧旋臂中有序磁场的径向分量指向银河系中心之外，与大多数旋涡星系中观察到的向内方向相反？
• RQ4 NGC 2442中的磁力臂在多大程度上代表了过去光学旋臂的相位偏移图像？其支持该记忆效应的证据是什么？
• RQ5 在气体密度较低且无当前Hα发射的区域，何种机制能够维持长达5 kpc的15 μG有序磁场？

主要发现

• 在NGC 2442以东约5 kpc处探测到一个强而有序的磁场'岛'，场强约为15 μG，高偏振度表明其具有相干且有序的磁场结构。
• NGC 2442北侧旋臂中有序磁场的径向分量指向银河系中心之外，与大多数旋涡星系中常见的向内方向相矛盾。
• 磁场图案在内侧北侧旋臂上游出现突然跳跃，表明因潮汐相互作用或冲压压力导致压缩。
• 该'岛'被解释为磁力臂的峰值，可能为过去光学旋臂的相位偏移图像，该旋臂约半个旋臂周期前（约10⁸年）曾经历冲压压力并发生增强的恒星形成。
• 该'岛'中宇宙射线电子在15 μG磁场下的同步辐射能量损失 timescale 约为10⁷年，表明其起源于旋臂，并在其寿命内至少移动了5 kpc。
• 缺乏Hα发射及低电子密度（ne ≤ 0.003 cm⁻³）表明当前无恒星形成，但磁场仍保持强而有序，表明磁场可独立于当前恒星形成长期存在。