[論文レビュー] Planck intermediate results. XXI. Comparison of polarized thermal emission from Galactic dust at 353GHz with optical interstellar polarization

P. A. R. Ade, N. Aghanim+152 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2014

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ひとこと要約

本研究は、特定の星に向けてのプランク353 GHzの準ミリ波長ダスト偏光と光学的銀河間偏光を比較し、ダスト粒子の性質を制約する。偏光比 RS=V は 4.3 ± 0.2（統計）± 0.4（系誤差）であるが、相対的効率 RP=p は 5.6 ± 0.2 MJy sr⁻¹（統計）± 0.4 MJy sr⁻¹（系誤差）であり、モデル予測を約2.5倍上回っており、粒子の整列および散乱モデルに顕著な矛盾を示している。

ABSTRACT

The Planck survey provides unprecedented full-sky coverage of the submillimetre polarized emission from Galactic dust. In addition to the information on the direction of the Galactic magnetic field, this also brings new constraints on the properties of dust. The dust grains that emit the radiation seen by Planck in the submillimetre also extinguish and polarize starlight in the optical. Comparison of the polarization of the emission and of the interstellar polarization on selected lines of sight probed by stars provides unique new diagnostics of the emission and light scattering properties of dust, and therefore ultimately of the important model parameters, composition, size, shape, and alignment. Using ancillary catalogues of interstellar polarization and extinction of starlight, we obtain the degree of polarization, pV , and the optical depth in the V band to the star, V . We extract the submillimetre polarized intensity, PS, and total intensity, IS, measured toward these stars in the Planck 353 GHz channel. We compare the polarization direction (position angle) measured in the optical with that measured at 353 GHz, and compare the column density measure E(B V) with that inferred from the Planck product map of the submillimetre dust optical depth. For those lines of sight with little CO integrated intensity, as well as having polarization directions close to orthogonal and comparable values of the estimated column density, we correlate the projected polarization e ciencies in emission, QS=IS and US=IS, with those in extinction, qV= V and uV= V , to measure the polarization ratio RS=V = (PS=IS)=(pV= V ). We find a polarization ratio RS=V = 4:3 with statistical and systematic uncertainties 0:2 and 0:4, respectively. We focus directly on the polarization properties of the aligned grain population alone via an alternative ratio, the relative e ciency RP=p = PS=pV = 5:6 MJy sr 1 , with statistical and systematic uncertainties 0:2 and 0:4 MJy sr 1 , respectively. Our estimate of RS=V is reasonably compatible with predictions based on a range of current dust models that have been developed for the di use interstellar medium, not yet very discriminating among them. However, the observed RP=p is a more discriminating diagnostic for the polarizing grain population and is not compatible with predictions, the observations being higher by a factor of about 2.5. These new diagnostics from Planck, including the spectral dependence in the submillimetre, will be important for constraining and understanding the full complexity of the grain models, and for further interpretation of the Planck thermal dust polarization and refining the separation of this contamination of the cosmic microwave background.

研究の動機と目的

• プランクの準ミリ波長ダスト偏光と光学的銀河間偏光を結びつけることで、ダスト粒子の性質を解明すること。
• 観測された偏光効率と理論的予測を比較することで、現在のダストモデルを検証すること。
• 整列したダスト粒子における観測値とモデル値の偏光効率の乖離を定量化すること。
• CMBの前景分離に用いるために、ダスト粒子の組成、サイズ、形状、整列状態の制約を強化すること。
• 準ミリ波長ダスト放射および散乱の波長依存性を新たな診断指標として提供すること。

提案手法

• 既知の光学的偏光を持つ星に向けて、プランク353 GHzの全天マップから準ミリ波長偏光強度（PS）と全強度（IS）を抽出した。
• Vバンド減光（AV）および光学的偏光度（pV）の補助的カタログと併用し、偏光効率比を導出した。
• 放射と減光の偏光効率を比較するため、偏光比 RS=V = (PS/IS) / (pV/AV) を計算した。
• 整列した粒子の寄与を全列密度とは独立に分離するために、相対的効率 RP=p = PS/pV を定義した。
• RS=V および RP=p の不確実性を評価するために、統計的および系誤差の伝播を適用した。
• CO放射が低く、偏光位置角が直交している線分方向に焦点を当て、汚染を最小限に抑え、診断能を高めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じダスト集団に対して、準ミリ波長放射における偏光効率は、光学的減光におけるものとどのように異なるか？
• RQ2 現在のダストモデルは、観測された偏光比 RS=V = (PS/IS)/(pV/AV) をどの程度正しく予測できるか？
• RQ3 相対的偏光効率 RP=p = PS/pV は、標準的なダスト粒子モデルの予測と整合しているか？
• RQ4 観測された RP=p の乖離は、銀河間ダスト粒子の整列および散乱特性にどのような意味を持つのか？
• RQ5 準ミリ波長偏光の波長依存性は、ダスト粒子モデルの制約およびCMBの前景除去をどのように改善できるか？

主な発見

• 偏光比 RS=V = (PS/IS)/(pV/AV) は 4.3 に測定され、統計的不確実性が 0.2、系誤差が 0.4 である。
• 相対的偏光効率 RP=p = PS/pV は 5.6 MJy sr⁻¹ に測定され、統計的不確実性が 0.2 MJy sr⁻¹、系誤差が 0.4 MJy sr⁻¹ である。
• 観測された RP=p の値は、現在のダストモデルの予測を約2.5倍上回っており、顕著な乖離を示している。
• 測定された RS=V は、既存のダストモデルの予測と妥当に一致しており、このレベルでは強い矛盾は見られない。
• 観測された放射における偏光効率は、標準モデルの予測を上回っており、仮定されたよりも強い整列または異なる粒子特性を示唆している。
• これらの結果は、CMB偏光解析およびダストモデリングの精緻化に不可欠な、非常に判別力の高い新しい診断指標を提供する。