@PhDThesis{Jesus:2022:TuMaFi,
author = "Jesus, Lorena do Carmo",
title = "Turbulence and magnetic fields in the interstellar regions",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2022",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2022-01-19",
keywords = "MHD turbulence, interstellar medium, polarization, MHD simulation,
statistics, turbul{\^e}ncia magnetohidrodin{\^a}mica, meio
interestelar, polariza{\c{c}}{\~a}o, simula{\c{c}}{\~o}es
num{\'e}ricas, estat{\'{\i}}stica, flutua{\c{c}}{\~o}es
s{\'{\i}}ncrontron.",
abstract = "Magnetic fields and turbulence are ubiquitous in the interstellar
medium and several astrophysical processes. However, despite the
importance of magnetized turbulence, a full theoretical framework
remains unavailable. Observations provide only limited
line-of-sight information on densities, temperatures, velocities
and magnetic field strengths and, therefore, understanding
astrophysical turbulence is challenging. In addition, based on the
recent discovery of the use of intensity and synchrotron
polarization gradient vectors to obtain the morphology of the
magnetic field, this thesis presents a new way to acquire
information: the level of magnetization in different astrophysical
environments. In order to perform that, we use
magnetohydrodynamic, isothermal simulations of turbulence, with
Alfv{\'e}nic Mach numbers of MA 2 [0.2, 1.7]. From these
numerical data, we generate synchrotron maps and two methods,
named Top-Base and circular statistics, were applied to the
distributions of polarization and intensity gradient angles. In
addition, using an error analysis on the synthetic data via
Bayesian statistics, both methods were analyzed under different
conditions, such as: signal-to-noise ratio of the data, influence
of the Faraday rotation effect, different measurements of the
projection in the line-of-sight with respect to the magnetic
field. The error analysis showed that the Top-Base method is not
suitable for signal-to-noise ratios S/R . 15. For the circular
statistics method, the determination of MA can be applied down to
S/R 5. The Faraday rotation effect was also considered for
different frequencies, showing an efficiency of both methods even
for regions where the Faraday depolarization is intense. We also
studied the effect of the line-of-sight projection in different
configurations and obtained that MA can be successfully recovered.
We conclude that the new techniques can successfully reconstruct
the magnetization level for different astronomical observations.
This work opens an avenue for applying our new techniques to
synchrotron data cubes and a large number of forthcoming data sets
from diferent radiotelescopes, such as: Low-Frequency Array for
Radio astronomy (LOFAR), the Square Kilometer Array (SKA) and the
Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST).
RESUMO: O efeito de turbul{\^e}ncia e a exist{\^e}ncia de campos
magn{\'e}ticos s{\~a}o onipresentes no meio interestelar e em
diversos processos astrof{\'{\i}}sicos. Entretanto, apesar de
sua import{\^a}ncia, uma teoria capaz de explicar as propriedades
da turbul{\^e}ncia magnetizada continua inexistente. Al{\'e}m
disso, as observa{\c{c}}{\~o}es astron{\^o}micas fornecem
apenas informa{\c{c}}{\~o}es limitadas sobre densidades,
temperaturas, velocidades e intensidades do campo magn{\'e}tico
projetados na linha de visada, o que torna a compreens{\~a}o de
turbul{\^e}ncia magnetohidrodin{\^a}mica no contexto
astrof{\'{\i}}sico ainda mais desafiadora. Baseada na recente
descoberta da utiliza{\c{c}}{\~a}o dos vetores gradiente de
intensidade e gradiente de polariza{\c{c}}{\~a}o
s{\'{\i}}ncrotron para obter a morfologia do campo
magn{\'e}tico, esta tese apresenta um novo modo de determinar o
n{\'{\i}}vel de magnetiza{\c{c}}{\~a}o em diferentes ambientes
astrof{\'{\i}}sicos. Para isso, n{\'o}s utilizamos
simula{\c{c}}{\~o}es num{\'e}ricas magnetohidrodin{\^a}micas
tridimensionais, turbulentas, apresentando os casos sub e super-
Alfv{\'e}nicos, com n{\'u}meros Alfv{\'e}nicos de Mach MA 2
[0.2, 1.7]. A partir dos resultados num{\'e}ricos, n{\'o}s
constru{\'{\i}}mos mapas sint{\'e}ticos s{\'{\i}}ncrotron e
dois m{\'e}todos conhecidos como Top-Base e estat{\'{\i}}stica
circular foram aplicados {\`a}s distribui{\c{c}}{\~o}es dos
{\^a}ngulos dos gradientes de polariza{\c{c}}{\~a}o e
intensidade. Al{\'e}m disso, utilizando uma an{\'a}lise de erros
via estat{\'{\i}}stica bayesiana, ambos os m{\'e}todos foram
analisados em diferentes condi{\c{c}}{\~o}es observacionais,
tais como: rela{\c{c}}{\~a}o sinal/ru{\'{\i}}do dos dados,
influ{\^e}ncia do efeito de rota{\c{c}}{\~a}o Faraday,
diferentes medidas de proje{\c{c}}{\~a}o da linha de visada com
respeito ao campo magn{\'e}tico. Em rela{\c{c}}{\~a}o {\`a}
an{\'a}lise de erros, o m{\'e}todo de Top-Base n{\~a}o {\'e}
adequado para raz{\~o}es de sinal-ru{\'{\i}}do S/R . 15. Para o
m{\'e}todo de estat{\'{\i}}stica circular, a
obten{\c{c}}{\~a}o de MA {\'e} vi{\'a}vel {\`a} raz{\~o}es
sinal/ru{\'{\i}}do at{\'e} S/R 5. Em nossa an{\'a}lise, o
efeito de rota{\c{c}}{\~a}o de Faraday foi considerado para
diferentes frequ{\^e}ncias, apresentando uma efici{\^e}ncia de
ambos os m{\'e}todos mesmo para regi{\~o}es onde a
depolariza{\c{c}}{\~o}es de Faraday {\'e} intensa. Tamb{\'e}m
analisamos o efeito de diferentes linhas de visadas com
rela{\c{c}}{\~a}o ao campo magn{\'e}tico m{\'e}dio e, para as
diferentes configura{\c{c}}{\~o}es, ambas t{\'e}cnicas foram
bem sucedidas. A partir destes resultados, pode-se concluir as
novas t{\'e}cnicas propostas nesta tese podem reconstruir com
sucesso o n{\'{\i}}vel de magnetiza{\c{c}}{\~a}o para
diferentes observa{\c{c}}{\~o}es astron{\^o}micas. Este
trabalho abre um caminho para a aplica{\c{c}}{\~a}o de nossas
novas t{\'e}cnicas a cubos de dados s{\'{\i}}ncrotron
provenientes de diferentes facilidades observacionais, tais como:
o Low-Frequency Array for Radio astronomy (LOFAR), o Square
Kilometer Array (SKA).",
committee = "Jablonski, Francisco Jos{\'e} (presidente) and Gon{\c{c}}alves,
Diego Antonio Falceta (orientador) and Miranda, Oswaldo Duarte and
Wuensche, Carlos Alexandre and Kowal, Grzegorz and Franco, Gabriel
Armando Pellegatti",
englishtitle = "Turbul{\^e}ncia e campos magn{\'e}ticos em regi{\~o}es
interestelares",
language = "en",
pages = "124",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/465F7R8",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/465F7R8",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "18 abr. 2024"
}