Estimating the magnetic field strength in the interstellar medium

Abstract

A large scale magnetic field permeates the interstellar medium (ISM) of our Galaxy. The ISM magnetic field strength is notoriously difficult to measure, and for this reason there is a longstanding debate about its dynamical importance in the star formation process. The magnetic field strength can be directly measured, with the Zeeman effect, only in a limited number of cases. For this reason, indirect methods have been developed for estimating the magnetic field strength. The most widely accessible methods are based on dust polarization. Dust polarization probes directly the plane-of-the-sky magnetic field morphology, but not its strength. These indirect magnetic field strength estimation methods are based on the energy balance of incompressible turbulence. Observations, however, indicate that turbulence in the ISM is highly compressible, hence the assumptions of the existing methods are incompatible with the observations. In this thesis, we propose a novel method for estimating the magneticfield strength from dust polarization based on the energetics of compressible turbulence. We assess the accuracy of the proposed method with synthetic data produced from a suite of numerical simulations. We find that with the proposed method an accuracy better than a factor of two can be achieved.

Το διαστρικό μέσο (ΔΜ) του Γαλαξία μας διαπερνάτε από ένα μεγάλου μήκους μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο στο ΔΜ είναι πολύ δύσκολο να μετρηθεί και ως εκ τούτου υπάρχει μια μακροχρόνια διαμάχη για το δυναμικό ρόλο του μαγνητικού πεδίου στην αστρογένεση. Το μαγνητικό πεδίο μπορεί να μετρηθεί άμεσα με το φαινόμενο Zeeman, αλλά μόνο σε ορισμένες περιπτώσεις. Για αυτό το λόγο έχουν αναπτυχθεί έμμεσοι τρόποι για την εκτίμηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Οι πιο προσιτές μέθοδοι βασίζονται στην πόλωση λόγω σκόνης. Η πόλωση αυτή ανιχνεύει άμεσα την διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου στο επίπεδο του ουρανού, αλλά όχι την ένταση του. Αυτοί οι έμμεσοι τρόποι εκτίμησης του μαγνητικού πεδίου βασίζονται στην ενεργειακή ισορροπία της ασυμπίεστης τυρβώδους ροής. Οι παρατηρήσεις όμως υποδεικνύουν ότι το ΔΜ συμπιέζεται και, ως εκ τούτου, οι υποθέσεις τον διαθέσιμων μεθόδων δε συνάδουν με τις παρατηρήσεις. Σε αυτή τη διατριβή, προτείνουμε μια καινοτόμο μέθοδο για την εκτίμηση του μαγνητικού πεδίου με τη χρήση δεδομένων πόλωσης λόγω σκόνης βασίζοντας την στις ενεργειακές ιδιότητες της συμπιεσμένης τυρβώδους ροής. Εκτιμήσαμε την ακρίβεια της προτεινόμενης μεθόδου σε συνθετικές παρατηρήσεις που δημιουργήσαμε από πληθώρα αριθμητικών προσομοιώσεων. Βρήκαμε ότι με την προτεινόμενη μέθοδο μπορούμε να επιτύχουμε ακρίβεια καλύτερη από παράγοντα δύο.