[論文レビュー] Sub-millimeter to centimeter excess emission from the Magellanic Clouds. I. Global spectral energy distribution

F. P. Israel, W. F. Wall+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 53被引用数 49

ひとこと要約

本研究では、COBEおよびWMAPのデータを用いて、ミリメートル〜サブミリメートル波長域の重要なギャップを埋めることで、ラジオから紫外線にかけての全波長域にわたる大・小マゼラン雲（LMCおよびSMC）の最初の完全な全波長スペクトルエネルギー分布（SED）を提示する。この研究では、ミリメートルおよびサブミリメートル波長域に顕著な、説明のつかない過剰な放射が発見され、その発生源が特定されるまでは、ダスト質量およびガス対ダスト比の信頼性ある決定が不可能であることが示された。

ABSTRACT

In order to reconstruct the global SEDs of the Magellanic Clouds over eight decades in spectral range, we combined literature flux densities representing the entire LMC and SMC respectively, and complemented these with maps extracted from the WMAP and COBE databases covering the missing the 23--90 GHz (13--3.2 mm) and the poorly sampled 1.25--250 THz (240--1.25 micron). We have discovered a pronounced excess of emission from both Magellanic Clouds, but especially the SMC, at millimeter and sub-millimeter wavelengths. We also determined accurate thermal radio fluxes and very low global extinctions for both LMC and SMC. Possible explanations are briefly considered but as long as the nature of the excess emission is unknown, the total dust masses and gas-to-dust ratios of the Magellanic Clouds cannot reliably be determined.

研究の動機と目的

• ラジオから紫外線にわたる全波長域にわたるマゼラン雲の最初の完全な全波長スペクトルエネルギー分布（SED）の構築を目的とする。
• ダストおよび熱的自由自由放射を理解する上で不可欠な、重要なサブミリメートル〜センチメートル波長域（10 GHz – 1 THz）におけるカバー範囲の欠如に対処することを目的とする。
• 特にミリメートルおよびサブミリメートル波長域における異常な放射特徴（過剰放射）を特定および定量することを目的とする。
• この過剰放射が、低金属量銀河におけるダスト質量、ガス対ダスト比、および消光特性に与える影響を評価することを目的とする。
• 低金属量と、急勾配なUV消光曲線や12 µm放射の抑制といった極端なダスト特性との関連を検討することを目的とする。

提案手法

• COBE-DIRBEおよびWMAP全天調査データベースから、LMCおよびSMCの全波長域における周波数1.25 THz（240 µm）から23 GHz（13 mm）までの全波長スペクトルエネルギー密度を抽出した。
• 全スペクトル範囲をカバーするため、文献からのフラックス密度を補足し、各雲の全角度範囲にわたる一貫性のあるグローバル統合を確保した。
• HEALPIXマップおよび垂直等積投影を用いてフラックスを統合し、ビーム立体角および周波数に基づく換算係数（Jy/mK）を適用してフラックス密度を導出した。
• 統合領域の不確実性および銀河系外の前景放射（特にSMCでは前景放射を除外）への影響を考慮した。
• 周波数の8桁にわたるグローバルSEDを構築し、レイノルズ・ジーンズ尾部およびダスト放射特性の分析を可能にした。
• 観測SEDを自由自由放射および熱的ダスト放射モデルと比較することで、サブミリメートル領域における偏差を評価し、過剰放射を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LMCおよびSMCのラジオから紫外線にわたる完全な全波長スペクトルエネルギー分布（SED）はどのようなものか？
• RQ2 標準的な熱的ダストまたは自由自由放射モデルでは説明できない、ミリメートルおよびサブミリメートル波長域での顕著な過剰放射はなぜ生じるのか？
• RQ3 この過剰放射の性質が、低金属量銀河におけるダスト質量およびガス対ダスト比の推定の信頼性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 観測されたダスト特性（12 µm放射の抑制、低消光、急勾配なUV消光曲線）が金属量とどの程度相関しているか？
• RQ5 過剰放射は、非常に小さな回転するダスト粒子によって説明可能であると考えられるか？また、放射場の強度がこのような放射に与える影響は何か？

主な発見

• ミリメートルおよびサブミリメートル波長域（23–93 GHz、13–3.2 mm）に顕著な、説明のつかない過剰放射が発見された。LMCでは93 GHzで366 ± 65 Jy、SMCでは88 ± 18 Jyのフラックス密度を示した。
• SMCは最も極端な性質を示す：内部視覚消光量A_V^int = 0.45 mag、Lyman連続体フラックスlog N_L = 51.72、過剰放射による汚染のためガス対ダスト比が極めて低くなった。
• 熱的ラジオ連続スペクトルのフラックス密度は、LMCが146 × (ν/10 GHz)^{-0.1} Jy、SMCが13.4 × (ν/10 GHz)^{-0.1} Jyであり、イオン化ガスからの自由自由放射と整合的であった。
• 両雲における12 µm中赤外放射は、全体的に抑制されており、PAHの低濃度および低金属量と整合的であった。
• 遠赤外放射のレイノルズ・ジーンズ尾部は、説明のつかない過剰放射によって汚染されており、放射メカニズムが特定されない限り、ダスト質量やガス対ダスト比を信頼性高く決定することは不可能である。
• 過剰放射は、冷たく大きなダスト粒子によるものではなく、その発生源は未特定であるが、非常に小さな回転するダスト粒子によるものである可能性は残るが、未確認のままである。