[论文解读] Magnetic Visions: Mapping Cosmic Magnetism with LOFAR and SKA

R. Beck|ArXiv.org|Apr 29, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 11

一句话总结

本文提出利用LOFAR和平方公里阵列（SKA）通过高灵敏度偏振测量和RM合成技术，对星系、星系团及星系际介质中的宇宙磁场进行测绘。通过实现三维法拉第断层扫描并探测微弱的同步辐射发射与法拉第旋转，这些仪器将揭示宇宙大尺度磁场的起源、结构与演化，标志着观测宇宙磁学领域的一次根本性飞跃。

ABSTRACT

The origin of magnetic fields in the Universe is an open problem in astrophysics and fundamental physics. "Cosmic Magnetism" has been accepted as Key Science Project both for the Low Frequency Array (LOFAR, under construction) and the planned Square Kilometre Array (SKA). At low frequencies LOFAR and SKA will allow to map the structure of weak magnetic fields in the outer regions and halos of galaxies, in galaxy clusters and in the Milky Way. High-resolution polarization observations at high frequencies with the SKA will trace magnetic fields in the disks and central regions of galaxies in unprecedented detail. All-sky surveys of Faraday rotation measures (RM) towards polarized background sources will be used to model the structure and strength of the magnetic fields in the Milky Way, the interstellar medium of galaxies and the intergalactic medium. The new method of "RM Synthesis", applied to spectro-polarimetric data cubes, will separate RM components from different distances and allow 3-D "Faraday tomography". Magnetic fields in distant galaxies and clusters and in intergalactic filaments will be searched for by deep imaging of weak synchrotron emission and of RM towards background sources. This will open a new era in the observation of cosmic magnetic fields.

研究动机与目标

• 解决星系、星系团及星系际介质中宇宙磁场起源与演化的未解之谜。
• 克服当前射电望远镜在探测微弱大尺度磁场方面的灵敏度与分辨率限制。
• 利用法拉第旋转测量（RMs）的全天 surveys，绘制银河系、星系晕及星系际丝状结构中磁场的结构与强度。
• 通过观测红移z ≈ 2以内的遥远星系中磁场的一致性与模式，检验发电机理论与原初磁场模型。
• 通过在光谱偏振数据立方体上应用RM合成，实现磁结构的三维重建，即法拉第断层扫描。

提出的方法

• 利用LOFAR与SKA的多通道光谱偏振测量，高精度测量法拉第旋转测量值（RMs），实现沿视线方向RMs成分的分离。
• 应用RM合成技术，将光谱数据立方体转换为法拉第深度立方体，从而通过法拉第断层扫描实现磁场的三维映射。
• 开展全天偏振背景源的巡天，以建模银河系、星系盘面及星系际介质中磁场的结构与强度。
• 结合低频观测（LOFAR为20–80 MHz，SKA为70 MHz–35 GHz），探测延伸晕及遥远星系中微弱的同步辐射发射与法拉第旋转。
• 通过深空偏振发射与RMs的成像观测，探测遥远星系与星系际丝状结构中的磁场。
• 利用SKA在高频段的高分辨率偏振观测，以前所未有的细节追踪星系盘面与中心区域的磁场。

实验结果

研究问题

• RQ1 螺旋星系（尤其是其晕层与外区）中大尺度磁场的起源与演化机制是什么？
• RQ2 星系团与星系际介质中的磁场如何形成并维持一致性？活动星系核喷流或星系风在其中扮演何种角色？
• RQ3 在高红移星系（z ≈ 0.1–2）中观测到一致磁场，是否能对原初磁场与发电机机制生成的磁场模型构成约束？
• RQ4 RM合成在多大程度上能分辨视线方向上的多个磁成分，从而实现星间与星系际介质的三维法拉第断层扫描？
• RQ5 湍流气体流动与发电机过程在生成与维持星系中有序磁场中的作用是什么？如何与剪切或压缩效应相区分？

主要发现

• LOFAR与SKA将通过RM合成实现法拉第断层扫描，实现对磁场的三维映射，并能分辨视线方向上的多个法拉第成分。
• SKA的高分辨率RM数据将使探测距离达100 Mpc的星系盘中发电机模态成为可能，为平均场发电机理论提供直接检验。
• 来自红移z ≈ 2–3类星体的法拉第旋转测量表明，早期宇宙中星系环境内已存在约μG量级的磁场。
• LOFAR与SKA的低频观测将探测到未解析的年轻星系与原星系的偏振发射，湍流发电机过程可在约10^7年内将磁场放大至μG量级。
• 由于法拉第去偏振效应，低频段偏振源的数密度预计较低，但LOFAR与SKA的更高灵敏度与动态范围将克服此限制。
• 即使直接偏振发射过弱而无法解析，遥远星系中的磁场仍可能通过背景源的法拉第旋转间接探测。