[論文レビュー] Microwave ISM Emission Observed by WMAP

Douglas P. Finkbeiner|Digital Access to Scholarship at Harvard (DASH) (Harvard University)|Nov 24, 2003

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 170

ひとこと要約

本稿は、WMAPデータにおける異常マイクロ波放射の起源を再評価し、低周波数（23–41 GHz）におけるダスト相関放射を説明する主な要因として、シンクロtron放射ではなく回転するダストが適切であると提唱する。回転ダストモデルは、特にLDN1622やLPH 201.663+1.643のような領域で、シンクロtronよりも良好に全天空データに適合しており、銀河中心付近に存在する自由自由放射「ハーゲ」成分を同定した。この成分は、高温のイオン化ガスまたは硬いシンクロtron放射を示唆する可能性がある。

ABSTRACT

We investigate the nature of the diffuse Galactic emission in the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) temperature anisotropy data. Substantial dust-correlated emission is observed at all WMAP frequencies, far exceeding the expected thermal dust emission in the lowest frequency channels (23, 33, 41 GHz). The WMAP team (Bennett et al.) interpret this emission as dust-correlated synchrotron radiation, attributing the correlation to the natural association of relativistic electrons produced by SNae with massive star formation in dusty clouds, and deriving an upper limit of 5% on the contribution of Draine & Lazarian spinning dust at K-band (23 GHz). We pursue an alternative interpretation that much, perhaps most, of the dust-correlated emission at these frequencies is indeed spinning dust, and explore the spectral dependence on environment by considering a few specific objects as well as the full sky average. Models similar to Draine & Lazarian spinning dust provide a good fit to the full-sky data. The full-sky fit also requires a significant component with free-free spectrum uncorrelated with \Halpha, possibly hot (~million K) gas within 30 degrees of the Galactic center.

研究の動機と目的

• WMAPデータにおけるダスト相関マイクロ波放射の起源を再表現し、WMAPチームの解釈（主にシンクロtron放射）に反論すること。
• 回転ダスト放射（特にDraine & Lazarianモデル）が、特に低周波数帯（23–94 GHz）で観測された放射を説明できるかどうかを検証すること。
• 銀河中心付近に未発見の自由自由放射成分（「ハーゲ」）を同定し、そのスペクトル的・空間的特徴を特定すること。
• 異常マイクロ波放射の支配的メカニズムとして、回転ダストと硬いシンクロtronまたは磁気双極子放射の妥当性を比較評価すること。
• 複数のテンプレートと全天空データ解析を用いて、前景モデルのスペクトル的・形態的デゲネラシーを解消すること。

提案手法

• 自由自由放射、軟らかくシンクロtron（Haslam 408 MHzマップから）、Finkbeinerら（1999）の熱的ダスト、および回転ダストテンプレートを含む多成分フィッティングモデルを用いる。
• 各成分のスペクトル的依存性（T ∝ ν^β）を用いたスペクトルフィッティング手法を採用し、β値は外部データおよび物理モデルによって制約する。
• HEALPixベースの天球マップを用いて、WMAP周波数（23–94 GHz）における全天空の空間的・スペクトル的変動を分析する。
• シンクロtronのみでは放射の形態を説明できない領域（例：LDN1622 や LPH 201.663+1.643）において、モデルの適合度を観測データと比較する。
• 他の成分と直交する「ハーゲ」テンプレートを導入し、自由自由スペクトルに類似した残差放射を分離する。このテンプレートは (T_K + 2.186×T_Ka)/2 として定義される。
• 8 GHzおよび14 GHzのGreen Bank Galactic Plane Survey (GPA) を用いて、散乱銀河間空間（diffuse ISM）において硬いシンクロtronが支配的でないことを裏付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転ダスト放射は、特にシンクロtronモデルが失敗する領域において、23–41 GHzにおけるダスト相関マイクロ波放射を説明できるか？
• RQ2 自由自由、軟らかくシンクロtron、熱的ダストテンプレートで説明できない残差放射の起源は何か？
• RQ3 銀河中心付近の「ハーゲ」特徴は、高温のイオン化ガス（>10^6 K）由来の自由自由放射か、それとも硬いシンクロtron放射由来か、どちらが適切な説明か？
• RQ4 暗黒星雲（例：LDN1622）における放射のスペクトル的・空間的特性は、異常マイクロ波放射の物理的起源にどのような制約を課えるか？
• RQ5 回転ダストモデルは、WMAPチームのシンクロtron解釈に依存せずに、WMAPデータの全天空分散のどの程度を説明できるか？

主な発見

• 特にDraine & Lazarian（1998）モデルを周波数で1.8倍、振幅で3.7倍に調整した回転ダストモデルは、シンクロtron単独よりもLDN1622のような領域で観測データに良好に適合する。
• Finkbeiner ら（1999）の熱的ダストモデルは、高緯度天域、暗黒星雲、H II領域において94 GHzで良好にデータに適合する。
• 未発見の自由自由「ハーゲ」成分が銀河中心付近に同定され、そのスペクトルは自由自由放射と一致し、標準的なHαテンプレートでは説明できない空間的広がりを示す。
• このハーゲ成分は、高温のイオン化ガス（>10^6 K）由来である可能性が高く、O VI吸収研究によって裏付けられる可能性がある。標準的なHαベースの自由自由テンプレートでは十分に説明できない。
• Green Bank GPA調査（8 GHzおよび14 GHz）により、散乱銀河間空間において硬いシンクロtronが支配的でないことが判明し、回転ダストが代替として妥当であることを支持する。
• 自由自由放射、軟らかくシンクロtron、熱的ダスト、回転ダストを含む全天空フィッティングは、WMAPデータの約98%の分散を説明しており、モデルの整合性が強い。