[論文レビュー] Far-Infrared to Millimeter Astrophysical Dust Emission. II: Comparison of the Two-Level Systems (TLS) model with Astronomical Data

D. Paradis, J.-P. Bernard+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 46被引用数 25

ひとこと要約

本稿は、非晶質なほこり粒子内の不規則な電荷分布およびTLS欠陥に基づき、銀河間空間における遠赤外線〜ミリ波帯のほこり放射を物理的に裏付けられた二段階系（TLS）モデルを提案する。このモデルは、散発的および凝縮的銀河的源の両方において観測されたスペクトルエネルギー分布と逆温度・発光度指数（T–β）関係を成功裏に再現し、ミリ波帯過剰放射が冷たいほこり成分ではなくTLS緩和に起因することを示している。

ABSTRACT

In a previous paper we proposed a new model for the emission by amorphous astronomical dust grains, based on solid-state physics. The model uses a description of the Disordered Charge Distribution (DCD) combined with the presence of Two-Level Systems (TLS) defects in the amorphous solid composing the grains. The goal of this paper is to confront this new model to astronomical observations of different Galactic environments in the FIR/submm, in order to derive a set of canonical model parameters to be used as a Galactic reference to be compared to in future Galactic and extragalactic studies. We confront the TLS model with existing astronomical data. We consider the average emission spectrum at high latitudes in our Galaxy as measured with FIRAS and WMAP, as well as the emission from Galactic compact sources observed with Archeops, for which an inverse relationship between the dust temperature and the emissivity spectral index has been evidenced. We show that, unlike models previously proposed which often invoke two dust components at different temperatures, the TLS model successfully reproduces both the shape of the Galactic SED and its evolution with temperature as observed in the Archeops data. The best TLS model parameters indicate a charge coherence length of \simeq 13 nm and other model parameters in broad agreement with expectations from laboratory studies of dust analogs. We conclude that the millimeter excess emission, which is often attributed to the presence of very cold dust in the diffuse ISM, is likely caused solely by TLS emission in disordered amorphous dust grains. We discuss the implications of the new model, in terms of mass determinations from millimeter continuum observations and the expected variations of the emissivity spectral index with wavelength and dust temperature. The implications for the analysis of the Herschel and Planck satellite data are discussed.

研究の動機と目的

• 非晶質ほこり放射のTLSモデルが、銀河的環境にわたる観測されたほこりスペクトルエネルギー分布を再現できるかどうかを検証すること。
• 天文観測データを用いて、散発的ISMおよび凝縮的源の代表的モデルパラメータを特定すること。
• 観測された逆T–β関係が、複数のほこり成分ではなく、ほこり自体の固有の性質に起因するかどうかを評価すること。
• TLSモデルが、HerschelおよびPlanckデータにおけるほこり質量推定および成分分離に与える影響を評価すること。

提案手法

• TLSモデルは、非晶質ほこり粒子内の不規則な電荷分布（DCD）および二段階系（TLS）欠陥を組み込み、放射は緩和プロセスによって支配される。
• モデルは、TLSおよびDCD寄与に基づき、波長および温度に依存するスペクトル指数βを持つ修正された発光度関数を用いる。
• χ²最小化法を用いて、散発的ISMのFIRAS/WMAPデータおよび凝縮的源のArcheopsデータにモデルを適合させ、T_d、l_c、A、c_Δの4つの自由パラメータを最適化する。
• T_dが5 Kから100 Kの範囲で、IRAS、Herschel、Planckバンドにおけるほこり発光度を予測し、多波長観測と比較可能にする。
• TLSから導かれる温度（T_TLS）と標準的な修正黒体曲線フィットによる温度（T_fit）との間で温度比較を行い、特にピークから離れた波長域で顕著な差が生じることを明らかにする。
• モデルは、観測されたβの変動および100–850 μm範囲におけるT–β逆相関を、特にその範囲で妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TLSモデルは、FIRASおよびWMAPが観測したように、銀河の遠赤外〜サブミリ波帯スペクトルエネルギー分布の形状を再現できるか？
• RQ2 TLSモデルは、Archeopsが測定した凝縮的銀河的源における、ほこり温度と発光度スペクトル指数βの観測された逆関係を説明できるか？
• RQ3 散発的ISMにおけるミリ波帯発光過剰は、冷たいほこりに起因するのか、それとも非晶質粒子内の固有の低エネルギー遷移に起因するのか？
• RQ4 異なるほこり温度および環境下で、TLSパラメータ（例：電荷コherenec length、TLS強度）はどのように変化するか？
• RQ5 TLSモデルは、標準的な修正黒体曲線フィットと比較して、ほこり質量推定をどの程度改善できるか？

主な発見

• TLSモデルは、複数のほこり成分を必要とせず、FIRAS/WMAPによる散発的ISMのSEDおよびArcheopsによる凝縮的源のSEDを成功裏に再現した。
• 最良のフィットパラメータは、T_d = 17.26 K、l_c ≈ 13.4 nm、A = 5.81、c_Δ = 475であり、電荷コherenec lengthは非晶質ほこりアナログの実験的研究と整合的である。
• モデルは100–850 μm範囲でβが1.5から2.6に変動し、2 mmでピークに達する予測を行い、観測されたT–β逆相関と一致する。
• ホッピング緩和がサブミリ波帯放射を支配しており、ミリ波帯過剰放射が冷たいほこりではなくTLSプロセスに起因することを示唆する。
• 25 K以上の高温域では、TLSから導かれる温度（T_TLS）と標準的な修正黒体曲線フィットによる温度（T_fit）との差が顕著であり、特にピークから離れた波長域で顕著である。
• モデルは、波長および温度に応じたβの変動を考慮することで、HerschelおよびPlanckデータの解釈を物理的に裏付けられたフレームワークとして提供し、より良いほこり質量推定および成分分離を可能にする。