Was ist die Physik des „spinning dust“-Beitrags zu Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds?

"Spinning dust" ist ein Mechanismus, der vorgeschlagen wird, um ein bestimmtes Merkmal in der Vordergrundemission von CMB zu erklären ; eine Beule herum$\nu\sim20\,\mathrm{GHz}$.

Staubkörner werden durch photoelektrische Emission und Kollisionen mit Elektronen und Ionen aufgeladen ( Draine & Lazarian 1998 ). Wenn der Staub ein schlechter Leiter ist, werden seine Ladungen im Allgemeinen ungleichmäßig verteilt sein, was dazu führt, dass kleine Staubkörner ein elektrisches Dipolmoment aufweisen, wie Zephyr bemerkt$\mathbf{\mu}$. Aber die Moleküle, aus denen die Körner bestehen, können selbst ein Dipolmoment haben, und selbst bei einem perfekten Leiter ist der Ladungsschwerpunkt im Allgemeinen vom Massenschwerpunkt verschoben ( Purcell 1975 ).

Kollisionen und Strahlung können dazu führen, dass sich die Körner zu drehen beginnen, und in Gegenwart von Magnetfeldern (die im interstellaren Medium sehr häufig vorkommen) bewirkt dieser Spin wiederum, dass die Teilchen Strahlung mit einer starken Leistung emittieren$P$, nach Larmors Formel , die für einen rotierenden Dipol geschrieben werden kann als:

Die emittierte Strahlung entspricht der Rotationsfrequenz, die im (zig) GHz-Bereich liegt, was Wellenlängen im Mikrowellenbereich entspricht.

Im Gegensatz dazu wird die Strahlung von nicht rotierendem Staub thermisch sein, also im Infraroten liegen.

Das Papier, auf das Sie verlinken ( Bennett et al. 2013 ), zeigt den Unterschied in Abb. 22 (obwohl die Wärmestrahlungsspitzen außerhalb des Beobachtungsbereichs von WMAP liegen): Die Spitzen des sich drehenden Staubs herum$\nu\sim20\,\mathrm{GHz}$, während die Wärmestrahlung ihren Höhepunkt erreicht$\nu\sim2\,000\,\mathrm{GHz}$.

Beachten Sie, dass sich drehender Staub auch Wärmestrahlung aussendet, und tatsächlich bewirken thermische Schwankungen innerhalb der Körner, dass sich die Ladungen ziemlich schnell verschieben und ändern$\mu_\perp$und$\omega$( Hoang et al. 2015 ), wodurch die Spektrallinien effektiv verwischt werden.

Ein symmetrisches Staubkorn wird wohl von Partikeln/Photonen im Durchschnitt genauso oft von einer Seite wie von der anderen Seite getroffen. Ein Mechanismus zur Beschleunigung des Spins eines asymmetrischen Korns wird von Purcell (1975) vorgeschlagen . Unten ist Abb. 1 aus seiner Arbeit. Ein Partikel, das in einer Konkavität auftrifft, interagiert mit größerer Wahrscheinlichkeit zweimal mit den Körnern. Wenn das Gas kälter als das Korn ist, wird es erhitzt und verlässt das Korn mit einer größeren Geschwindigkeit als es eingetreten ist, wodurch sich das Korn in der Figur gegen den Uhrzeigersinn zu drehen beginnt; Wenn das Gas heißer ist (was häufiger der Fall ist), dreht sich das Korn im Uhrzeigersinn.