[論文レビュー] First detection of the WIM dust emission. Implication for the Cosmic Far-Infrared Background

G. Lagache, A. Abergel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 1999

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ひとこと要約

本論文は、COBEおよびHIデータを用いて、温いイオン化媒体（WIM）に関連する遠赤外線（FIR）ダスト放射の初回検出を報告する。200–350 µmの波長域で10σの成分を特定し、ダスト温度は29.1 K、放射率法則はτ/N_H⁺ = 3.8×10⁻²⁶(λ/250)⁻¹ cm²であり、HIガスとは異なった粒子径分布（30 nmでカットオフ）を示しており、宇宙的遠赤外背景放射（CFIRB）の200 µm近辺の推定強度を約25%低減する。

ABSTRACT

We present a new analysis of the far-IR emission at high Galactic latitude based on COBE and HI data. A decomposition of the Far-IR emission over the HI, H^+ and H_2 Galactic gas components and the Cosmic Far InfraRed Background (CFIRB) is described. For the first time the far-IR emission of dust associated with the Warm Ionised Medium (WIM) is evidenced. This component determined on about 25% of the sky is detected at a 10 sigma level in the [200, 350]micron band. The best representation of the WIM dust spectrum is obtained for a temperature of 29.1 K and an emissivity law $tau/N_H+=3.8 \pm 0.8 10^{-26} (λ/250\mic)^{-1} cm^2$. With a spectral index equal to 2, the emissivity law becomes $τ/N_H^+= 1.0 \pm 0.2 10^{-25} (λ/250\mic)^{-2} cm^2$, with a temperature of 20 K, which is significantly higher than the temperature of dust associated with HI gas. The variation in the dust spectrum from the HI to the WIM component can be explained by only changing the upper cutoff of the Big Grain size distribution from 0.1 micron to 30 nm. The detection of IR emission of dust in the WIM significantly decreases the intensity of the CFIRB, especially around 200 micron which corresponds to the peak of energy.

研究の動機と目的

• 銀河ハロー内の温いイオン化媒体（WIM）に関連するダスト放射を特定・特徴づけること。
• 全遠赤外線放射をHI、H⁺、H₂および宇宙的遠赤外背景放射（CFIRB）の寄与に分解すること。
• WIMダストのスペクトル的性質を特定し、CFIRBの推定強度に与える影響を評価すること。
• ダスト粒子径分布の違いが、HIとWIM成分間の観測されたスペクトル変化を説明できるかを検討すること。

提案手法

• レイデン＝アルゼンチン＝ヨドリル・バンク調査から得られたHI密度分布データとCOBE FIR全天マップを用いて、遠赤外線放射の多成分分解を実施した。
• 放射は、HIガス、H⁺（イオン化）ガス、H₂分子、およびCFIRBからの寄与の合計としてモデル化され、各成分に固有のダストスペクトルエネルギー分布（SED）を設定した。
• WIMからのダスト放射は、温度と放射率法則τ/N_H⁺ = 3.8×10⁻²⁶(λ/250)⁻¹ cm²を有する修正ブラックボディスペクトルでモデル化された。
• 放射率のスペクトル指数を変化させ、代替モデルを検証した。特に指数2のケースでは、τ/N_H⁺ = 1.0×10⁻²⁵(λ/250)⁻² cm²が得られ、ダスト温度は20 Kとなった。
• 観測されたSEDに一致させるために粒子径分布を調整し、HIでは0.1 µmからWIMでは30 nmに上側カットオフを変更することで、スペクトルシフトを説明した。
• WIMダスト成分の統計的有意性はモンテカルロシミュレーションにより評価され、[200, 350] µm帯で10σの検出レベルが得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河ハロー内の温いイオン化媒体（WIM）に関連する検出可能な遠赤外線ダスト放射は存在するか？
• RQ2 WIMにおけるダストのスペクトル的性質（温度、放射率）は、HI領域におけるダストとどのように異なるか？
• RQ3 HIとWIM成分間の粒子径分布の違いは、観測されたSEDの変化を説明できるか？
• RQ4 WIMダスト放射を含めることで、宇宙的遠赤外背景放射（CFIRB）の推定強度はどの程度低減されるか？
• RQ5 観測されたWIMの遠赤外線放射は、ダスト粒子径分布の上側カットオフの変化のみで説明可能か？

主な発見

• WIMダスト放射は、[200, 350] µm帯で10σの有意水準で検出され、これは銀河系のイオン化相におけるダストの直接的証拠である。
• WIM成分の最良適合ダスト温度は29.1 Kであり、HIガス中のダストと比べ顕著に高い。
• WIMダストの放射率法則はτ/N_H⁺ = 3.8×10⁻²⁶(λ/250)⁻¹ cm²であり、修正ブラックボディスペクトルに一致する強い波長依存性を示している。
• スペクトル指数を2と仮定した場合、放射率法則はτ/N_H⁺ = 1.0×10⁻²⁵(λ/250)⁻² cm²に変化し、ダスト温度は20 Kとなった。
• HIとWIMダストの間の観測されたスペクトル差は、粒子径分布の上側カットオフの変化（HIでは0.1 µm、WIMでは30 nm）によって最もよく説明される。
• WIMダスト放射を含めることで、CFIRBの推定強度は200 µm近辺（CFIRBエネルギー分布のピーク付近）で約25%低減された。