スターバースト銀河 NGC253 の電波ハロー構造

スターバースト銀河NGC253の電波ハロー構造 茨城大学三宅晶子、柳田昭平、吉田龍生

Motivation スターバースト銀河高い星形成率、高いSN rate →高い宇宙線生成率スターバースト領域を起源とする銀河風の存在地球から約2.5Mpc、disk半径約７kpc edge-on スターバースト銀河 X線ハロー・電波ハロー NGC253 宇宙線電子がシンクロトロン放射することで形成される銀河風の存在→その影響を受ける NGC253中での宇宙線に関する情報をまだ引きずっているかも電波ハローの構造を調べる→ 銀河風・宇宙線に関する情報を引き出せるかもしれない

Our Work 目的：　電波ハロー構造と銀河風・宇宙線との関連を調べる内容： ①NGC253での宇宙線電子の伝播をシミュレーション ②結果として生じる電波ハローの構造計算 ③観測結果と比較・議論 NGC253の電波ハロー～6mJy/beam 0.33GHz （ FWHM=60″）： • 　ピーク値4.12Jy/beam • 　最小値～6mJy/beam • 　約9kpcの広がり　 • Hollow structure 形成の要因 • ハローの広がりの程度から何か言えないか？ (Carilli et al., ApJL, 399, 1992)

-12 -1 SN rate ＝ 1.05×10 LFIR/Lsun yr （Mattila ans Meikle, MNRAS, 324, 2001） Simulation model 銀河風・磁場構造モデル：(Zirakashvili and Voelk , ApJ, 636, 2006) スターバースト領域を起源とする銀河風が軸対称構造で発生　 ~900 銀河風速度（　　　　　） 5 ~400 磁場強度　（　　　　　） 50 10 宇宙線電子の源：超新星残骸（disk内、δ（ｚ）平面に分布） LFIR ：ｒ依存性（Goldshmidt, ApJ, 444, 1995） Power low index ：－2.3（r≦300pc）、－2.4（r>300pc）

宇宙線電子のエネルギー損失過程： halo；　銀河風による断熱減速　　　　　　シンクロトロン放射 CMBによる逆コンプトン散乱 disk（半径７kpc、厚み0.5kpc）；　　　　＋　FIRによる逆コンプトン散乱 gasによる制動放射（Scovill et al., ApJ, 444, 1995）移流拡散方程式（確率微分方程式）： : 拡散係数 (100　　） : 粒子の旋回中心 : ウィナー過程 : 粒子の運動量

Cosmic ray electron halo

Structure of cosmic ray electron halo 2 ハローの広がり：エネルギー依存性 ← シンクロトロン放射∝E 大きなエネルギーを持つelectronほど、大きなエネルギー損失

Structure of cosmic ray electron halo ① 極付近で等高線が若干凸になる ② ①を除いて、極領域での等高線が銀河disk面に向けて凹む

SNを銀河diskに一様分布させた場合・・・ 1GeV 10GeV 0.3 0.1 0.1 0.5 0.5 0.9 0.9 2 2 ① 極付近で等高線が若干凸になる ② ①を除いて、極領域での等高線が銀河disk面に向けて凹む

なぜhollow structure ができる？ SNを銀河diskに一様分布させた場合・・・ 1GeV 10GeV 0.3 0.1 0.1 0.5 0.5 0.9 0.9 2 2 ① 極付近で等高線が若干凸になる ② ①を除いて、極領域での等高線が銀河disk面に向けて凹む

Energy loss processes and the structure of halo 1GeV 10GeV 極領域での大きなエネルギー損失 ⇒ hollow structure の形成

その他 -2.2 ∝E 極領域 Energy spectrum Energy Energy loss processes and the structure of halo 1GeV 10GeV 極領域での大きなエネルギー損失 ⇒ hollow structure の形成

その他 -2.2 ∝E 極領域 Energy spectrum Energy Energy loss processes and the structure of halo 1GeV なぜ極領域でエネルギー損失量が増大する？ 10GeV 極領域での大きなエネルギー損失 ⇒ hollow structure の形成

: dEad : dEsync : dEIC 1GeV ⇒ 断熱減速効果∝E（∇・u）：極領域で高速になる銀河風 10GeV ⇒ シンクロトロン放射∝E B ：銀河風による移流→ 極領域に到達するelectronは磁場の強い領域を通過してきたいずれにせよ、極領域で大きなエネルギー損失 2 2 1GeV 10GeV

: dEad : dEsync : dEIC 銀河風の存在（断熱減速・移流が発生） ↓↓ 極領域での大きなエネルギー損失 ↓↓ hollow structure の形成 1GeV ⇒ 断熱減速効果∝E（∇・u）：極領域で高速になる銀河風 10GeV ⇒ シンクロトロン放射∝E B ：銀河風による移流→ 極領域に到達するelectronは磁場の強い領域を通過してきたいずれにせよ、極領域で大きなエネルギー損失 2 2 1GeV 10GeV

Radio halo

-7kpc 7kpc disk （2D平面） Radio halo of NGC 253 電波ハロー：宇宙線電子がシンクロトロン放射することで形成されるシンクロトロン放射のEmissivity 視線方向に積分して電波ハロー導出

Comparison with the observation hollow structure ⇒ 銀河風の存在を示唆？再現したハローの広がり：～7kpc

Comparison with the observation hollow structure ⇒ 銀河風の存在を示唆？再現したハローの広がり：～7kpc 絶対値も含めて再現するとどうなる？

：宇宙線の生成率 ：宇宙線の escape time Extent of the radio halo 定常状態を仮定すると・・・ ESN、SN rate、power low index で決まる（ESN＝　　erg と仮定）を振って電波ハローの広がりを調査＆観測値と比較を推定できる？？

Extent of the radio halo →小さすぎる、

Extent of the radio halo →小さすぎる、 →大きすぎる

Extent of the radio halo →小さすぎる、 →大きすぎる → 約9kpc の広がりを再現 ※スターバースト領域での議論→　 (Paglione et al., ApJ, 460, 1996) ※ESNの仮定；磁場モデルに課題あり

Summary 目的：　電波ハロー構造と銀河風・宇宙線との関連を調べる内容： ①NGC253での宇宙線電子の伝播をシミュレーション ②結果として生じる電波ハローの構造計算 ③観測結果と比較・議論宇宙線電子ハロー • 　ハローの広がり：エネルギー依存性 ← シンクロトロン放射 • 　銀河風の存在 ⇒ hollow structure の形成電波ハロー・観測結果との比較（NGC253） • hollow structure ⇒ 銀河風の存在を示唆？ • ハローの広がり ⇒ 宇宙線の escape time ～2×10　年？ 6

Supplement

Extent of the radio halo (10.55GHz) (Beck et al., A&A, 292, 1994)

-7kpc 7kpc disk （2D平面）

スターバースト銀河 NGC253 の電波ハロー構造