[论文解读] First detection of the WIM dust emission. Implication for the Cosmic Far-Infrared Background

G. Lagache, A. Abergel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 1999

History and Developments in Astronomy参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文首次利用COBE和HI数据探测到与暖电离介质（WIM）相关的亚毫米波长尘埃发射。在200–350 µm波段识别出一个10σ信号，尘埃温度为29.1 K，发射率定律为τ/N_H⁺ = 3.8×10⁻²⁶(λ/250)⁻¹ cm²，表明其尘埃粒径分布与HI气体不同（截止粒径为30 nm），并将近200 µm处的宇宙亚毫米波背景（CFIRB）强度推断值降低了约25%。

ABSTRACT

We present a new analysis of the far-IR emission at high Galactic latitude based on COBE and HI data. A decomposition of the Far-IR emission over the HI, H^+ and H_2 Galactic gas components and the Cosmic Far InfraRed Background (CFIRB) is described. For the first time the far-IR emission of dust associated with the Warm Ionised Medium (WIM) is evidenced. This component determined on about 25% of the sky is detected at a 10 sigma level in the [200, 350]micron band. The best representation of the WIM dust spectrum is obtained for a temperature of 29.1 K and an emissivity law $tau/N_H+=3.8 \pm 0.8 10^{-26} (λ/250\mic)^{-1} cm^2$. With a spectral index equal to 2, the emissivity law becomes $τ/N_H^+= 1.0 \pm 0.2 10^{-25} (λ/250\mic)^{-2} cm^2$, with a temperature of 20 K, which is significantly higher than the temperature of dust associated with HI gas. The variation in the dust spectrum from the HI to the WIM component can be explained by only changing the upper cutoff of the Big Grain size distribution from 0.1 micron to 30 nm. The detection of IR emission of dust in the WIM significantly decreases the intensity of the CFIRB, especially around 200 micron which corresponds to the peak of energy.

研究动机与目标

• 识别并表征银河系介质中与暖电离介质（WIM）相关的尘埃发射。
• 将总亚毫米波发射分解为HI、H⁺、H₂和宇宙亚毫米波背景（CFIRB）的贡献。
• 确定WIM尘埃的光谱特性，并评估其对CFIRB强度推断的影响。
• 探究尘埃粒径分布的差异是否可解释HI与WIM组分之间观测到的光谱变化。

提出的方法

• 利用COBE亚毫米波全天图和莱顿-阿根廷-乔德雷尔班调查提供的HI柱密度数据，对亚毫米波发射进行了多组分分解。
• 将发射建模为HI气体、H⁺（电离）气体、H₂分子以及CFIRB的贡献之和，各组分具有独立的尘埃光谱能量分布（SED）。
• 采用修正黑体谱对WIM的尘埃发射进行建模，其温度和发射率定律为τ/N_H⁺ = 3.8×10⁻²⁶(λ/250)⁻¹ cm²。
• 通过改变发射率的谱指数来测试替代模型，包括谱指数为2的情形，此时发射率定律为τ/N_H⁺ = 1.0×10⁻²⁵(λ/250)⁻² cm²。
• 通过调整粒径分布以匹配观测到的SED，将上截止粒径从HI的0.1 µm调整为WIM的30 nm，以解释光谱偏移。
• 通过蒙特卡洛模拟评估WIM尘埃组分的统计显著性，在[200, 350] µm波段获得10σ检测水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系晕中是否存在可探测的与暖电离介质（WIM）相关的亚毫米波长尘埃发射？
• RQ2 与HI区域中的尘埃相比，WIM中尘埃的光谱特性（温度、发射率）如何？
• RQ3 WIM与HI组分之间的尘埃粒径分布有何差异，以解释观测到的SED变化？
• RQ4 将WIM尘埃发射纳入考虑后，对宇宙亚毫米波背景（CFIRB）强度的推断值减少了多少？
• RQ5 仅通过尘埃粒径分布的上截止粒径变化，能否解释WIM观测到的亚毫米波发射？

主要发现

• 在[200, 350] µm波段，WIM尘埃发射以10σ的显著性水平被探测到，这是首次直接证明电离相星际介质中存在尘埃的证据。
• WIM组分的最佳拟合尘埃温度为29.1 K，显著高于HI气体中尘埃的温度。
• WIM尘埃的发射率定律为τ/N_H⁺ = 3.8×10⁻²⁶(λ/250)⁻¹ cm²，表明其具有强烈的波长依赖性，与修正黑体谱一致。
• 当假设谱指数为2时，发射率定律变为τ/N_H⁺ = 1.0×10⁻²⁵(λ/250)⁻² cm²，对应尘埃温度为20 K。
• HI与WIM尘埃之间观测到的光谱差异，最合理的解释是尘埃粒径分布的上截止粒径发生变化——从HI中的0.1 µm变为WIM中的30 nm。
• 将WIM尘埃发射纳入模型后，宇宙亚毫米波背景（CFIRB）在近200 µm处（CFIRB能量分布峰值）的推断强度降低了约25%。