[論文レビュー] Better Alternative to "Astronomical Silicate": Laboratory-Based Optical Functions of Chondritic/Solar Abundance Glass With Application to HD161796

A. K. Speck, K. M. Pitman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 79被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、0.19–250 µmの波長域にわたり、鉄を含まないコンドライト的・太陽系組成のガラスおよび金属鉄の実験室測定済みの光学関数を提示し、合成的「宇宙的ケイ酸塩」モデルの代替としてより正確な手法を提供する。HD 161796を事例として、ガラスと鉄の割合が遠赤外領域のSFDに顕著な影響を及ぼすことを示し、外側の殻層の端縁に結晶性ケイ酸塩の形成が起こっている可能性を示唆している。この特徴は、従来の合成モデルでは見えにくくなっている。

ABSTRACT

"Astronomical" or "circumstellar" silicate optical functions (real and imaginary indices of refraction n and k have been previously derived from compositionally and structurally disparate samples; past values were compiled from different sources in the literature, and are essentially kluges of observational, laboratory, and extrapolated or interpolated values. These synthetic optical functions were created because astronomers lack the quantitative data on amorphous silicates at all wavelengths needed for radiative transfer modeling. This paper provides optical functions that (1) are created with a consistent methodology, (2) use the same sample across all wavelengths, and (3) minimize interpolation and extrapolation wherever possible. We present electronic data tables of optical functions derived from mid-ultraviolet to far-infrared laboratory transmission spectra for two materials: iron-free glass with chondritic/solar atmospheric abundances, and metallic iron. We compare these optical functions to other popular n, k data used to model amorphous silicates (e.g., "astronomical" or "circumstellar" silicate), both directly and in application to a simple system: the dust shell of the post-AGB star HD161796. Using the new optical functions, we find that the far-IR profile of model SEDs are significantly affected by the ratio of glass to iron. Our case study on HD161796 shows that modeling with our new optical functions, the mineralogy is markedly different from that derived using synthetic optical functions and suggests a new scenario of crystalline silicate formation.

研究の動機と目的

• 合成的「宇宙的ケイ酸塩」光学関数の代わりに、全波長域にわたって一貫性のある、同一試料からの実験室測定データを用いること。
• 補間や外挿による誤差を避けるために、実測された光学定数（n(λ), k(λ)）を用いて放射移動モデリングを改善すること。
• 特にガラスと鉄の割合が、原始星周囲のダスト殻の遠赤外領域における放射率およびSED形状に与える影響を調査すること。
• 新しい光学関数が、合成モデルでは検出できないような鉱物学的特徴（例：結晶性ケイ酸塩の形成）を明らかにできるかを検証すること。
• 天文学的モデリング応用のためのn(λ)およびk(λ)の電子データテーブルを提供すること。

提案手法

• 鉄を含まないコンドライト的組成のケイ酸塩ガラスの単一样品を用いて、0.19 µm（UV）から250 µm（遠赤外）までの実験室透過スペクトルを取得した。
• 標準的な光学定数抽出技術を用いて、測定された透過スペクトルから複素屈折率n(λ)およびk(λ)を導出した。
• 放射移動モデルに組み込むために、金属鉄の測定を別途実施した。
• DUSTY放射移動コードを用いて、新しい光学関数を用いてHD 161796のSEDをモデリングした。
• 新しい実験室ベースの関数を用いたモデルのSEDと、合成的「宇宙的ケイ酸塩」関数を用いたものとを比較した。
• ガラスと鉄の質量比を変化させた際の遠赤外領域における放射率およびβ指数への感度を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合成的関数ではなく実験室測定済みの光学関数を用いることで、HD 161796のモデリングSEDにどのような影響を与えるか？
• RQ2 ガラスと鉄の質量比が遠赤外領域における放射率およびSED形状に与える影響は何か？
• RQ3 新しい光学関数は、合成関数では検出できない鉱物学的特徴（例：結晶性ケイ酸塩の形成）を明らかにできるか？
• RQ4 合成的光学関数は、その任意的な構築ゆえに、誤ったまたは一意でないモデルパラメータを生じさせる程度はどの程度か？
• RQ5 新しい光学関数は、Post-AGB系におけるダストの組成および構造に関する制約をどの程度改善するか？

主な発見

• 0.19–250 µmの全波長域にわたって同一試料から得られた新しい光学関数は、従来の合成的「宇宙的ケイ酸塩」モデルに見られる補間・外挿誤差を排除する。
• 新しい関数を用いてHD 161796をモデリングした結果、遠赤外領域のSEDはガラスと鉄の質量比に極めて敏感であることが判明し、わずかな鉄の含有量でも光学的厚さが顕著に増加することが示された。
• ガラスと鉄の正確な割合が、遠赤外領域における放射率則およびβ指数に強く影響を与え、これらはダストの組成および粒子径の主要な診断指標である。
• 合成的光学関数を用いる場合、SEDの勾配は容易にフィット可能であるが、その結果として真の組成的制約が隠蔽され、誤ったまたは一意でないパラメータ推定が生じる。
• 新しいモデルは、HD 161796のダスト殻の外側端縁に結晶性ケイ酸塩の形成が起こっている可能性を示唆している。この特徴は、合成関数を用いたモデルでは検出できなかった。
• 本研究では、コンドライト的ガラスおよび金属鉄のn(λ)およびk(λ)の電子テーブルを提供しており、http://galena.wustl.edu/~dustspec/idals.html で入手可能である。