Inoue & Kamaya 2008, EPS, submitted

銀河間ダスト光電効果加熱
井上昭雄（大阪産業大学）
釜谷秀幸（防衛大学校）1

初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

初代星とダストy 超新星爆発でダスト粒子が形成される
y ただし、観測的に直接示されてはいない
y 間接的にはｚ＝６ＱＳＯのダスト量など
y ＳＮ２００６ｊｃの観測からも冷たいダストは検証されていない

Nozawa et al.(2003)
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初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

Why Intergalactic Dust (IGD)?
y Metal in the IGM is surprisingly abundant; all the metal

produced by stars could be out of galaxies!
y IGD is also abundant?

H0=70 km/s/Mpc, ΩM=0.3, ΩΛ=0.73

初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

IGD really exists!
contour: HI map
gray scale: B-band

M82

M81

HI column density

M81 groupXilouris et al.(2006)
Milky Way ISM~1/120M81 group IGM~1/20
reddening

Background galaxies show a modest reddening against
a small HI column density: larger dust-to-gas ratio inthe M81 group IGM than the Milky Way’s ISM!
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初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

IGD and Cosmology
y High-redshift objects are suffer from dimming by IGD.
y Supernova cosmology may be affected by IGD.

IGD dimming
Cosmic acceleration(Dark energy)
Riess et al.(2001)
Future investigation of the ‘equation of state’ of the Dark energy
will be still affected by IGD dimming (Corasaniti 2006).
5初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

Photoelectric effect of IGD
y IGD is an energy convertor from photon to gas.

p+
dust

Eph ≥ W + eU

e-W: work function
U: electrostatic potential

e-UV

6“hot” photo-electron

初代星・銀河形成研究会（甲南大）

ep+
2008年9月10日

Grain charging process
R+R=0∑
charging time-scale: ~10—100 yrs

y Equilibrium charge equation:yiiphy Collisional charging rate:

Ri = πa Z i si ni ∫2∞v minσ i ( v i , Z i , Z d ) v i f ( v i )dv iy Photoelectric charging rate:

4πJν
Rph = πa ∫ Q(a,ν )Y (a,ν , Z d )dνν minhν2

ν max

y grain properties: Draine & Lee modely photoelectric yield: Weingartner & Draine (2001)
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初代星・銀河形成研究会（甲南大）

Zd
2008年9月10日

IGD and thermal history of IGM
more IGD

IG dust massχ≡metal mass
Data: Schaye et al.(2000)
Model: Inoue & Kamaya (2004)

We can obtain an upper
limit on the IGD amountwith the IGM thermal
history (Inoue & Kamaya
2003, 2004).
8初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

New model of photoelectric yield(Y)y Weingartner & Draine (2001) yield:
y only primary electron from the band structure is considered.

y Weingartner et al. (2006) yield:
y primary electron from inner shells of atoms making up grains aswell as from the band structurey Auger electron
y secondary electron
y photon and electron transfer in a grain
y but still large uncertainty because of the lack of experiments.
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初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

New model of photoelectric yield(Y)
0.1 micron, neutral grain

Yield

oldprimary

oldnewauger

primary
secondarysecondary

Absorbed photon energy [eV]10

初代星・銀河形成研究会（甲南大）

newauger

2008年9月10日

Photoelectric heating with new Y
Heating rate [erg s-1 cm-3]

Dust-to-gas ratio: 1% of the Milky Way, MRN size distribution,
gas temperature of 10,000 K, typical UV-X background radiation

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old Y model

HeII

HI

new Y model

old Y model

HeII

new Y model

HIGas number density [cm-3]
初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

Effect of grain size distribution
ＭＲＮ
黒太線＞0.1ミクロンピンク
超新星ダスト（破壊なし）
赤超新星ダスト（破壊あり）
緑＜２５０Ａ黒細線
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初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

Useful formula

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初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

Inverted T-ρ relation in the IGM
Bolton et al.(2008) suggested aninverted temperature—density
relation in low-density IGM.
We need a heating source more
efficient in lower density medium.
IGD heating?

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初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

IGD heating before the reionization
log Jnonionizing
UV background
X-ray background13.6 eV

300 eVlog Etemperature doubling time-scale15

初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日

Summaryy Intergalactic Dust (IGD) may be abundant.
y IGD dimming may affect determinations of cosmologicalparameters.
y In general, the dust photoelectric heating is efficient in low
density medium with hard radiation, e.g., the IGM.
y IGD photoelectric heating may affect the thermal history of theIGM. From this, we can constrain the IGD amount.
y A new photoelectric yield for X-ray reduces the heating rate
significantly.
y Grain size distribution is important for the heating rate.
y A fitting formula of the IGD heating rate is presented.
y IGD may cause an inverted temperature-density relation.
y IGD heating is not important before the reionization.
16初代星・銀河形成研究会（甲南大）

2008年9月10日