[论文解读] Probing Turbulence in the Interstellar Medium using Radio-Interferometric Observations of Neutral Hydrogen

Prasun Dutta|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 89被引用 5

一句话总结

本研究利用射电干涉仪对25个河外星系的中性氢（H i）21-cm观测，探测了星际介质（ISM）中的湍流，通过功率谱分析揭示了从60 pc到16 kpc尺度上强度涨落的幂律标度。关键发现是，功率谱指数揭示了二维与三维湍流区之间的二分性，首次直接测得螺旋星系NGC 1058的标高为450±60 pc。

ABSTRACT

We develop a visibility based power spectrum estimator to probe the power spectrum directly from the interferometric observations and also estimate the errors in it. A numerical simulation of synthetic observations is also performed to access the efficacy and limitations of this estimator. We use this estimator to evaluate the power spectrum of three individual spiral galaxies, a dwarf galaxy sample and THINGS * spiral galaxies. In each case, the power spectrum is found to follow a power law PHI (U) = AU α over a specific length scale range. The estimated value for the slope α ranges from ~ ~1.5 to ~ -2.6 for the sample of dwarf galaxies. We interpret this bi-modality as arising due to 2D turbulence on length scales much larger than the scale-height of the galaxy disk and 3D otherwise. The power law slope also show a weak correlation with the surface density of star formation rate for these galaxies. We found for the external spiral galaxies the power spectrum is a power law up to a length scale of 10 to 16 kpc, indicating turbulence to be operational at these large length scales. We measure the scale-height of the external nearly face-on spiral galaxy NGC 1058 to be ~ 500 pc interpreting a change in the slope observed in it's power spectrum. Power spectrum of the harassed galaxy NGC 4254 is found to be affected by galaxy harassment. For 18 spiral galaxies derived from the THINGS sample we found no correlation between the power law slope and the different dynamical parameters of these galaxies. For most of the dwarf and spiral galaxies, the intensity fluctuation power spectrum is found to be a direct probe of the density fluctuation and not affected by the velocity fluctuations in ISM. We would attempt to understand these new observations in terms of physical models of the ISM in future.

研究动机与目标

• 利用射电干涉仪H i观测，研究河外星系星际介质（ISM）中湍流的性质及其尺度依赖性。
• 确定湍流是否与恒星形成率、H i质量及动力学质量等动力学参数相关，尤其在螺旋星系和矮星系中。
• 评估仪器和观测效应（尤其是信道宽度）对H i强度涨落测量功率谱的影响。
• 以NGC 4254为案例研究，探讨星系干扰对ISM结构和湍流动力学的影响。
• 建立一种稳健的ISM涨落功率谱估计方法，对斜率敏感但对幅度不敏感，从而为下一代望远镜的校准提供支持。

提出的方法

• 从射电干涉仪（VLA、GMRT、WSRT）获取25个星系（包括5个矮星系和20个螺旋星系）的高分辨率H i 21-cm谱线数据。
• 对从60 pc到16 kpc的空间尺度上H i强度涨落进行功率谱分析，以量化湍流特征。
• 采用一种新型功率谱估计器，对幂律斜率敏感但对幅度不敏感，从而实现在不同尺度间的一致比较。
• 研究信道宽度（Δv）对功率谱指数的影响，以评估速度涨落带来的污染。
• 通过NGC 1058功率谱中的拐点，利用二维与三维湍流区之间的过渡推断其标高。
• 对比不同类型和环境的星系（包括位于星系团中的NGC 4254等）的结果，评估环境对ISM湍流的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 河外星系中H i强度涨落的功率谱是否在宽广的空间尺度范围内遵循幂律？这对我们理解ISM湍流意味着什么？
• RQ2 矮星系与螺旋星系中H i涨落的功率谱指数有何不同？其背后的物理机制可能是什么？
• RQ3 仪器效应（如信道宽度）在多大程度上影响测量的功率谱指数？能否将其与内在湍流分离？
• RQ4 能否通过功率谱中的拐点推断星系H i盘的标高？与其它方法相比结果如何？
• RQ5 如NGC 4254所示的星系干扰，如何改变星系中心区域与外盘区域的湍流特性？

主要发现

• 25个河外星系中H i强度涨落的功率谱在60 pc至16 kpc的空间尺度范围内遵循幂律，表明星系尺度上存在湍流ISM结构。
• 利用NGC 1058功率谱中的拐点，估算其H i盘标高为450±60 pc，这是首次对河外螺旋星系的直接测定。
• 在25个星系中的21个中，功率谱指数对信道宽度不敏感，表明速度涨落在这些尺度上对功率谱无显著影响。
• 在NGC 2403、NGC 3198、NGC 3621和NGC 4736这四个星系中，功率谱指数随信道宽度增加而减小，直至Δv ≈ 20 km s⁻¹后趋于稳定，但未发现其与星系速度 dispersion 的相关性。
• 在矮星系中观察到表面恒星形成率与功率谱指数之间存在微弱相关性，但在螺旋星系中未发现此类相关性。
• 对受干扰星系NGC 4254的分析显示，其核心区域与外盘区域的湍流动力学存在显著差异，表明环境效应影响了ISM结构。