[论文解读] The far-infrared - radio correlation in dwarf galaxies

D. R. G. Schleicher, R. Beck|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 81被引用 14

一句话总结

本文研究了低恒星形成面密度（$\Sigma_{\rm SFR} < 0.1\, M_\odot\,\text{yr}^{-1}\text{kpc}^{-2}$）星暴矮星系中的亚毫米波-射电相关性。研究识别出两个关键阈值：一个用于通过湍流维持磁场-恒星形成耦合，另一个用于宇宙射线扩散损失。主要结果为：在低$\Sigma_{\rm SFR}$时，预测从$L_{ ext{radio}} \propto L_{ ext{FIR}}^{4/3}$到$L_{ ext{radio}} \propto L_{ ext{FIR}}^{5/3}$的转变，快速旋转的矮星系由于磁场-恒星形成关系被破坏而表现出更大的离散度。

ABSTRACT

The far-infrared - radio correlation connects star formation and magnetic fields in galaxies, and has been confirmed over a large range of far-infrared luminosities. Recent investigations indicate that it may even hold in the regime of local dwarf galaxies, and we explore here the expected behavior in the regime of star formation surface densities below 0.1 M_sun kpc^{-2} yr^{-1}. We derive two conditions that can be particularly relevant for inducing a change in the expected correlation: a critical star formation surface density to maintain the correlation between star formation rate and the magnetic field, and a critical star formation surface density below which cosmic ray diffusion losses dominate over their injection via supernova explosions. For rotation periods shorter than 1.5x10^7 (H/kpc)^2 yrs, with H the scale height of the disk, the first correlation will break down before diffusion losses are relevant, as higher star formation rates are required to maintain the correlation between star formation rate and magnetic field strength. For high star formation surface densities Sigma_SFR, we derive a characteristic scaling of the non-thermal radio to the far-infrared / infrared emission with Sigma_SFR^{1/3}, corresponding to a scaling of the non-thermal radio luminosity L_s with the infrared luminosity L_{th} as L_{th}^{4/3}. The latter is expected to change when the above processes are no longer steadily maintained. In the regime of long rotation periods, we expect a transition towards a steeper scaling with Sigma_SFR^{2/3}, implying L_s~L_th^{5/3}, while the regime of fast rotation is expected to show a considerably enhanced scatter. These scaling relations explain the increasing thermal fraction of the radio emission observed within local dwarfs, and can be tested with future observations by the SKA and its precursor radio telescopes.

研究动机与目标

• 评估在低恒星形成面密度（$\Sigma_{\rm SFR} < 0.1\, M_\odot\,\text{yr}^{-1}\text{kpc}^{-2}$）的矮星系中，亚毫米波-射电相关性的有效性。
• 识别由于宇宙射线扩散和湍流衰减等物理过程导致相关性失效的$\Sigma_{\rm SFR}$临界阈值。
• 建模旋转周期和盘面标高如何调控矮星系中不同射电-FIR标度关系之间的过渡。
• 预测由于这些过渡导致本地矮星系中射电谱指数和热辐射成分的可观测变化。
• 为即将开展的射电巡天（LOFAR、SKA）提供可检验的预测，涉及低金属量、低SFR星系中的宇宙磁场和射电辐射。

提出的方法

• 基于小尺度发电机机制，推导出维持由超新星驱动的湍流引起的磁场放大所需的临界恒星形成面密度。
• 通过比较扩散-损失 timescale 与恒星形成 timescale，计算出第二个临界$\Sigma_{\rm SFR}$，即宇宙射线扩散损失超过注入时的临界点。
• 引入一个临界旋转周期（当$H = 1\, \text{kpc}$时为$1.5 \times 10^7\, \text{yr}$），用以判断湍流还是扩散主导相关性的失效。
• 利用磁场能量与宇宙射线能量之间的能量均分假设，推导出在高$\Sigma_{\rm SFR}$下$ L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{4/3} $，假设$B \propto \Sigma_{\rm SFR}^{1/3}$。
• 在低旋转、低$\Sigma_{\rm SFR}$区域，由于宇宙射线损失占主导，推导出更陡的标度关系$ L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{5/3} $，且$ L_{\text{radio}} \propto \Sigma_{\rm SFR}^{2/3} $。
• 分析快速旋转与低$\Sigma_{\rm SFR}$区域的状况，此时磁场-恒星形成相关性因湍流注入不足而失效，导致射电发射离散度升高。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种恒星形成面密度下，矮星系中的亚毫米波-射电相关性开始偏离？
• RQ2 旋转周期和盘面标高如何影响磁场-恒星形成耦合与宇宙射线扩散主导之间的过渡？
• RQ3 在低-$\Sigma_{\rm SFR}$矮星系中，非热射电光度相对于红外光度的标度律是什么？
• RQ4 在矮星系中，宇宙射线与磁场能量均分假设在何种条件下会失效？
• RQ5 观测到的本地矮星系中热辐射成分增加的现象，能否由预测的射电发射标度关系转变来解释？

主要发现

• 由于两种竞争过程：湍流驱动的磁场放大损失和宇宙射线扩散损失占主导，亚毫米波-射电相关性预计在低恒星形成面密度下失效。
• 当旋转周期短于$1.5 \times 10^7 (H/\text{kpc})^2$年时，由于湍流注入不足，磁场-恒星形成相关性在扩散占主导前即告失效。
• 在高-$\Sigma_{\rm SFR}$区域，非热射电光度与红外光度的标度关系为$ L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{4/3} $，与能量均分假设及$B \propto \Sigma_{\rm SFR}^{1/3}$一致。
• 在低旋转、低-$\Sigma_{\rm SFR}$区域，标度关系变陡至$ L_{\text{radio}} \propto L_{\text{FIR}}^{5/3} $，对应于$ L_{\text{radio}} \propto \Sigma_{\rm SFR}^{2/3} $，这是由于宇宙射线损失限制了粒子丰度。
• 在快速旋转但$\Sigma_{\rm SFR}$较低的矮星系中，相关性因湍流注入不足而失效，导致射电发射离散度高，恒星形成与磁场之间无稳定关系。
• 预测的标度关系转变可解释本地矮星系中观测到的射电发射热成分增加现象，尤其在低SFR环境中。