[论文解读] The Crab Nebula at 1.3 mm: evidence for a new synchrotron component

R. Bandiera, R. Neri+1 more|ArXiv.org|Dec 19, 2001

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 15被引用 27

一句话总结

该论文通过1.3毫米观测揭示了蟹状星云内区存在一个新发现的、紧凑的同步辐射组分，该组分与主导的射电辐射群体截然不同。该组分的形态与X射线结构一致，但在射电波段未被探测到，表明存在第二组具有低能截止的相对论性电子，从而调和了脉冲星风模型中的粒子计数与观测到的辐射之间的矛盾。丝状结构在谱指数上的陡化表明其磁场强度强于星云的平均值。

ABSTRACT

We present the results of 1.3 mm observations of the Crab Nebula, performed with the MPIfR bolometer arrays at the IRAM 30-m telescope. The maps obtained, of unprecedented quality at these wavelengths, allow a direct comparison with high-resolution radio maps. Although the spatial structure of the Crab Nebula does not change much from radio to millimetre wavelengths, we have detected significant spatial variations of the spectral index between 20 cm and 1.3 mm. The main effect is a spectral flattening in the inner region, which can be hardly explained just in terms of the evolution of a single population of synchrotron emitting electrons. We propose instead that this is the result of the emergence of a second synchrotron component, that we have tried to extract from the data. Shape and size of this component resemble those of the Crab Nebula in X rays. However, while the more compact structure of the Crab Nebula in X rays is commonly regarded as an effect of synchrotron downgrading, it cannot be explained why a similar structure is present also at mm wavelengths, where the electron lifetimes far exceed the nebular age. Our data, combined with published upper limits on spatial variations of the radio spectral index, also imply a low-energy cutoff for the distribution of electrons responsible for this additional synchrotron component. Although no model has been developed so far to explain the details of this component, one may verify that the total number of the electrons responsible for it is in agreement with what predicted by the classical pulsar-wind models, which otherwise are known to fail in accounting for the number of radio emitting electrons. We have also detected a spectral steepening at mm wavelengths in some elongated regions, whose positions match those of radio synchrotron filaments.

研究动机与目标

• 研究蟹状星云在射电与毫米波段之间谱指数的变化，以检验是否存在多个同步辐射组分。
• 确定内区观测到的谱指数展平是否可由粒子演化解释，还是需要引入新的辐射组分。
• 通过分析谱指数的空间变化，推断丝状结构中磁场结构与粒子能量分布。
• 通过识别缺失组分，调和脉冲星风模型中电子数量计数与观测到的射电辐射之间的差异。

提出的方法

• 使用IRAM 30米望远镜的辐射计阵列，对蟹状星云进行高分辨率1.3毫米连续谱观测。
• 将1.3毫米图像与20厘米波段的高分辨率射电图像进行比较，分析星云内谱指数的空间变化。
• 应用非线性迭代滤波程序，基于空间频率成分将20厘米射电图像中的丝状结构（f）与非定型组分（a）分离。
• 利用提取的丝状组分与毫米波数据进行比较，推断丝状结构与星云平均值之间磁场强度的差异。
• 建模谱指数演化，以识别新组分中电子能量分布的低能截止。
• 评估新组分中的总电子数是否与Kennel & Coroniti（1984）脉冲星风模型的预测一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 蟹状星云内区在1.3毫米波段观测到的谱指数展平是否可由标准同步辐射老化机制解释，还是需要引入新的辐射组分？
• RQ2 尽管粒子寿命差异巨大，为何毫米波段的星云形态与X射线中观测到的结构相似？
• RQ3 新识别的同步辐射组分的能量分布如何，特别是其低能截止特性如何？
• RQ4 丝状结构中谱指数的空间变化是否表明其磁场强度强于星云平均值？
• RQ5 新组分中的总电子数是否与脉冲星风模型预测一致，而该模型此前无法解释射电辐射？

主要发现

• 在蟹状星云内区1.3毫米波段探测到一个新发现的、紧凑的同步辐射组分，其形态与X射线观测结果一致。
• 在20厘米与1.3毫米波段之间，内区的谱指数显著展平，表明偏离了标准同步辐射老化机制，需要第二个辐射组分。
• 新组分在其电子能量分布中具有低能截止，有助于调和总电子数与Kennel & Coroniti（1984）脉冲星风模型之间的矛盾。
• 新组分中的总电子数与模型预测一致，解决了长期存在的射电电子计数差异问题。
• 在拉长的丝状结构中，毫米波段的谱指数陡化表明其磁场强度强于周围星云的平均值。
• 观测到的谱非均匀性无法仅通过时间变化解释，支持存在一个空间上独立且稳定的辐射组分。