[論文レビュー] Global amount of dust in the universe

M. Fukugita|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、クェーサーの赤みがかりによる測定で得られた銀河ハローおよび銀河間領域のダストを含めることで、宇宙時間にわたる星の進化によって生成されたダスト総量が観測値と一致することを示し、宇宙的ダスト予算を閉じた。ダスト予算の閉じることで、ダストは宇宙的時間スケールで効果的に生存しており、主に中質量星の漸近巨星ブランチ（AGB）期における質量放出から生じるダストが、核心崩壊超新星よりも支配的であることが示唆される。

ABSTRACT

It is pointed out that the total amount of dust in the Universe that is produced in stellar evolution in the entire cosmic time is consistent with the observed amount, if we add to the dust amount inferred for galactic discs the amount recently uncovered in galactic haloes and the surrounding of galaxies in reddening of the quasar light passing through the vicinity of galaxies. The inventory concerning the dust closes. This implies that dust produced from stars should survive effectively for the cosmic time, and that a substantial amount of dust is produced in the burning phase of evolved stars of intermedaite mass.

研究の動機と目的

• 宇宙における全観測ダストを、宇宙時間にわたる星の進化によって生成された量と一致させること。
• 銀河ハローおよび銀河間空間に存在するダストを考慮することで、予測されたダスト質量と観測されたダスト質量の間にある明らかな不一致を解消すること。
• クェーサーの赤みがかりと星の質量関数からの観測的制約を用いて、宇宙におけるダストの生存および生成メカニズムを制約すること。
• 特に超新星と発達した星からのダスト生成メカニズムが、観測されたダスト豊度と整合しているかどうかを評価すること。
• 追加の燃料が観測されたダスト含量を説明するために必要とされないことを確認することで、宇宙的エネルギーおよびバリオン予算を閉じること。

提案手法

• Chabrier初期質量関数を用いて宇宙時間にわたる星形成率を統合し、星が処理した全バリオン燃料の推定値を得る。これにより、Ω_fuel = 0.005が得られる。
• 星の残骸（白色矮星、中性子星、ブラックホール）の最終質量対初期質量関係を適用して、星からの質量放出を推定する。
• クェーサーの赤みがかり測定による銀河ハローおよび銀河間領域のダストに関する観測的制約（MSFR法）を統合する。
• 観測された赤外外背景放射と重元素の結合エネルギーを用いて、エネルギーおよびバリオン予算を検証する。
• 星の集団ごとのダスト生成を分割する：AGB星（中質量）が56％、核心崩壊超新星が43％、Ia型超新星が1％。
• 超新星からの理論的ダスト生成量（例：核心崩壊型で0.08 M☉/イベント）と観測された生成量（10⁻⁴–10⁻³ M☉）を比較し、乖離を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙における全ダスト量が、宇宙時間にわたる星の進化によって生成された量と一致するか？
• RQ2 ダストの何パーセントが銀河ディスクと比較してハローおよび銀河間領域に含まれるか？
• RQ3 クェーサーの赤みがかりから推定される銀河ハローおよび銀河間空間のダストを含めると、観測ダスト予算は閉じるか？
• RQ4 ダスト生成の主な星の源は何か—核心崩壊超新星か、AGB期の発達した星か？
• RQ5 ダスト予算の閉じることによって、星間および銀河間媒体におけるダストの生存および再生メカニズムにどのような制約が与えられるか？

主な発見

• クェーサーの赤みがかりから推定される銀河ハローおよび銀河間領域のダストを含めた、宇宙における全観測ダスト量は、宇宙時間にわたる星の進化によって生成された量と一致する。
• 銀河ハローおよび銀河間空間のダストを含めることで、銀河ディスクのみを考慮した場合と比べてダスト含量がほぼ2倍に増加し、ダスト予算が閉じる。
• 破壊されたダストを補充するための追加の燃料が残っていないことから、星からのダストは宇宙的時間スケールで効果的に生存している必要がある。
• 主なダスト源は、中質量星（1–8 M☉）の漸近巨星ブランチ（AGB）期における質量放出であり、全ダストの56％を占める。
• 核心崩壊超新星は43％のダストを供給するが、観測された生成量（10⁻⁴–10⁻³ M☉/イベント）は理論的予測値（0.08 M☉）の少なくとも100倍も小さいため、爆発後に星間ガス中でダストが形成されていると示唆される。
• Ia型超新星はダストの1％しか供給せず、観測的証拠がダスト生成を示さないため、主要なダスト源ではないとされる。