Warum ist Staub im fernen Infrarot optisch dünn?

Der Begriff "optisch dünn" bedeutet, dass die optische Tiefe gering ist. Die optische Tiefe ist ein Maß für die Lichtundurchlässigkeit eines Mediums, in diesem Fall Staub, die von Licht wahrgenommen wird, das durch dieses Medium wandert, und ist definiert als

$$\tau \equiv n \, r \, \sigma,$$ wo $n$ist die Dichte der betreffenden Teilchen, $r$ist die durch das Medium zurückgelegte Strecke und $\sigma = \sigma(\lambda)$ist der Querschnitt der Teilchen, der von der Wellenlänge abhängt $\lambda$der Photonen. Wenn $\tau\ll1$, das Medium soll optisch dünn sein, während if $\tau\gg1$, es soll optisch dick sein. Der Anteil des Lichts, der durch die Reise durch das Medium ausgelöscht wird, ist $e^{-\tau}$, also geben die beiden Fälle an, wann das Licht größtenteils übertragen bzw. größtenteils gelöscht wird.

Kosmischer Staub besteht aus Partikeln unterschiedlichster Größe. Photonen, die mit dem Staub wechselwirken, werden je nach Albedo des Staubs entweder in eine andere Richtung gestreut oder absorbiert. Aber in beiden Fällen hat ein Photon eine größere Wahrscheinlichkeit, mit einem Staubkorn zu interagieren, das seiner Wellenlänge vergleichbar ist. Aufgrund der Größenverteilung hat ein Ensemble von Staubkörnern somit eine charakteristische Extinktionskurve . In der Abbildung unten (modifiziert von Laursen et al. 2009 ) habe ich die (funktionale Anpassung an die beobachteten) Extinktionskurven von Staub in der Kleinen ( gestrichelte Linie) und der Großen ( durchgezogene Linie ) Magellanschen Wolke aufgetragen$^\dagger$:

Die Extinktion wird hier in Form von "Querschnitt pro Wasserstoffatom" angegeben, aber Sie können es sich einfach als durchschnittlichen Staubkornquerschnitt vorstellen. Die Farben zeigen die ultravioletten ( lila ) und infraroten ( rot ) Bereiche des Spektrums. Sie können sehen, dass die Extinktion oder der Wirkungsquerschnitt für UV-Photonen am größten ist, und wenn Sie zu längeren Wellenlängen gehen, nimmt der Wirkungsquerschnitt stark ab und ist im fernen Infrarot sehr klein ($\lambda \gtrsim 30 \, \mu\mathrm{m}$; die genauen Definitionen hängen von Ihrem Interessengebiet ab).

Darauf bezieht sich Ihre Aussage. Aber eigentlich ist es schlecht formuliert, denn die optische Tiefe ist auch eine Funktion von Dichte und Entfernung, also zum Beispiel für eine Entfernung$r = 1 \, \mathrm{cm}$durch eine staubwolke ist die optische tiefe$\ll1$für alle Photonen.

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$^\dagger$_{Extinktionskurven in anderen Galaxien sehen ähnlich aus. Insbesondere die Extinktion entlang der meisten Sichtlinien in der Milchstraße weist die gleiche Beule auf$\lambda \simeq 2175$A. Der Ursprung dieser Beule ist immer noch nicht gut verstanden, kann aber teilweise auf Graphite und/oder PAKs zurückzuführen sein.}