[논문 리뷰] Planck intermediate results. XXI. Comparison of polarized thermal emission from Galactic dust at 353GHz with optical interstellar polarization

P. A. R. Ade, N. Aghanim외 152명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 05.

Diverse Scientific and Engineering Research참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 특정 항성 방향으로의 플랑크 353 GHz 마이크로파먼 편광과 옵티컬 간섭 편광을 비교하여 먼지 입자 성질을 제약한다. 편광 비율 RS=V 는 4.3 ± 0.2 (통계) ± 0.4 (계측)로 측정되었으며, 상대적 효율 RP=p 는 5.6 ± 0.2 MJy sr⁻¹ (통계) ± 0.4 MJy sr⁻¹ (계측)로 측정되어 모델 예측보다 약 2.5배 높게 나타났다. 이는 입자 정렬 및 산란 모델 간에 심각한 불일치가 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 플랑크의 마이크로파먼 편광과 옵티컬 간섭 편광을 연결하여 먼지 입자 성질을 탐구한다.
• 관측된 편광 효율을 이론적 예측과 비교하여 현재의 먼지 모델을 검증한다.
• 정렬된 먼지 입자에서 관측된 편광 효율과 모델 예측 간의 격차를 정량화한다.
• CMB 배경 분리에 활용하기 위한 먼지 입자 조성, 크기, 형상 및 정렬에 대한 제약 조건을 향상시킨다.
• 마이크로파먼 방출 및 산란의 스펙트럼 의존성을 향상시키기 위한 새로운 진단 도구를 제공한다.

제안 방법

• 알려진 옵티컬 편광을 갖는 항성 방향으로 향한 플랑크 353 GHz 전체천구 맵을 활용하여 마이크로파 편광 강도(PS)와 총 강도(IS)를 추출한다.
• V-대역 투과도(AV)와 옵티컬 편광도(pV)의 보조 카탈로그를 결합하여 편광 효율 비율을 유도한다.
• 방출과 투과도 편광 효율을 비교하기 위해 편광 비율 RS=V = (PS/IS) / (pV/AV)를 계산한다.
• 정렬된 입자 기여를 총 열량 밀도와 독립적으로 분리하기 위해 상대 효율 RP=p = PS/pV를 정의한다.
• 통계적 및 계측 오차 전파를 적용하여 RS=V 와 RP=p 의 불확실성을 평가한다.
• 저조도 CO 방출과 수직 편광 위치각을 갖는 선로를 중심으로 집중하여 오염을 최소화하고 진단 능력을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 먼지 집단에 대해 마이크로파 방출의 편광 효율은 옵티컬 투과도의 편광 효율과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 현재의 먼지 모델은 관측된 편광 비율 RS=V = (PS/IS)/(pV/AV) 를 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ3 상대 편광 효율 RP=p = PS/pV 는 표준 먼지 입자 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ4 관측된 RP=p 의 격차는 은하간 먼지 입자의 정렬 및 산란 성질에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ5 마이크로파 편광의 스펙트럼 의존성은 먼지 입자 모델 제약 및 CMB 배경 정제에 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 편광 비율 RS=V = (PS/IS)/(pV/AV) 는 통계 오차 0.2, 계측 오차 0.4를 동반하여 4.3로 측정되었다.
• 상대 편광 효율 RP=p = PS/pV 는 통계 오차 0.2 MJy sr⁻¹, 계측 오차 0.4 MJy sr⁻¹를 동반하여 5.6 MJy sr⁻¹로 측정되었다.
• 관측된 RP=p 값은 현재의 먼지 모델 예측보다 약 2.5배 높게 나타나 심각한 불일치를 시사한다.
• 측정된 RS=V 는 기존 먼지 모델의 예측과 합리적으로 일치하며, 이 수준에서는 강한 충돌이 없음을 시사한다.
• 관측된 방출 편광 효율은 표준 모델 예측보다 높게 나타나, 가정된 것보다 더 강한 정렬 또는 다른 입자 성질을 시사한다.
• 이 결과들은 CMB 편광 분석 및 먼지 모델 정밀화에 필수적인, 매우 구별력 있는 새로운 진단 도구를 제공한다.