[論文レビュー] Broadband spectroscopy of astrophysical ice analogs. I. Direct measurement of complex refractive index of CO ice using terahertz time-domain spectroscopy

B. M. Giuliano, Arsenii A. Gavdush+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2019

Terahertz technology and applications参考文献 33被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、28.5–33 Kで実施したテラヘルツ時間領域分光法を用いて、CO氷のテラヘルツ領域（0.3–2.0 THz）における複素屈折率の最初の直接測定を報告する。Kramers＝Kronig関係式に依存しない新規アルゴリズムにより、実部および虚数部の屈折率を直接再構成し、寒冷惑星的環境におけるダスト連続スペクトル放射線輸送のモデリングのためのベンチマークデータを提供する。

ABSTRACT

Context: Reliable, directly measured optical properties of astrophysical ice analogs in the infrared (IR) and terahertz (THz) range are missing. These parameters are of great importance to model the dust continuum radiative transfer in dense and cold regions, here thick ice mantles are present, and are necessary for the interpretation of future observations planned in the far-IR region. Aims: Coherent THz radiation allows direct measurement of the complex dielectric function (refractive index) of astrophysically relevant ice species in the THz range. Methods: The time-domain waveforms and the frequency-domain spectra of reference samples of CO ice, deposited at a temperature of 28.5 K and annealed to 33 K at different thicknesses, have been recorded. A new algorithm is developed to reconstruct the real and imaginary parts of the refractive index from the time-domain THz data. Results: The complex refractive index in the wavelength range of 1 mm - 150 $μ$m (0.3 - 2.0 THz) has been determined for the studied ice samples, and compared with available data found in the literature. Conclusions: The developed algorithm of reconstructing the real and imaginary parts of the refractive index from the time-domain THz data enables, for the first time, the determination of optical properties of astrophysical ice analogs without using the Kramers-Kronig relations. The obtained data provide a benchmark to interpret the observational data from current ground based facilities as well as future space telescope missions, and have been used to estimate the opacities of the dust grains in presence of CO ice mantles.

研究の動機と目的

• 宇宙的関連性のあるCO氷の複素屈折率を、直接実験データが乏しいテラヘルツ領域で測定すること。
• 時間領域THzデータから屈折率を直接再構成するアルゴリズムを開発し、従来の間接的手法の限界を克服すること。
• 寒冷で密度の高い星間領域に厚い氷被膜を持つ環境におけるダスト連続スペクトル放射のモデリングのためのベンチマーク光学定数を提供すること。
• 測定された誘電関数を用いて、既知の吸収係数モデル（例：Ossenkopf & Henning 1994）を再現することで、新手法の妥当性を検証すること。
• 信頼性の高い実験的測定に基づく氷類似体の誘電特性を提供し、将来的な遠赤外観測の正確な解釈を可能にすること。

提案手法

• CO氷試料を28.5 Kで堆積し、さまざまな厚さにした上で、33 Kにアニール処理した。時間領域THz波形を測定した。
• 時間領域データから屈折率の実部および虚数部を直接抽出するための新規アルゴリズムを開発した。Kramers＝Kronig関係式への依存を回避した。
• 標準的な電磁気学的関係式を用いて、測定された屈折率から複素誘電関数 ε′ − iε″ を再構成した。
• 難融性成分（ケイ酸塩およびアモルファス炭素）の誘電関数は、Ossenkopf et al. (1992) および Preibisch et al. (1993) から採用した。氷は10 KでH₂O:CH₃OH:CO:NH₃ = 100:10:1:1の混合物と仮定した。
• 誘電関数の虚数部は、194 μmを超える波長で λ⁻¹ の依存性を用いて外挿し、実数部はCauchy主値処理を施した離散Kramers＝Kronig積分により計算した。
• 有効媒質近似（Bruggeman）を用い、アモルファス炭素を氷に混合した。体積分率は、薄い氷で0.11、厚い氷で0.013とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間領域分光法を用いて、CO氷のテラヘルツ領域における複素屈折率を直接測定できるか？
• RQ2 時間領域データからの屈折率再構成に用いられる新規アルゴリズムは、宇宙的氷モデリングにおいてKramers＝Kronig関係式の必要性を排除できるか？
• RQ3 測定されたCO氷の誘電関数は、文献データおよび理論的外挿とどのように一致するか？
• RQ4 測定された光学的性質は、遠赤外領域における既知のダスト吸収係数モデル（例：Ossenkopf & Henning 1994）をどの程度再現できるか？
• RQ5 氷被膜の厚さおよび組成は、星間ダスト粒子における吸収効率および全吸収係数にどのような影響を及えるか？

主な発見

• CO氷の複素屈折率が、初めて直接THz時間領域分光法により0.3–2.0 THz（1 mmから150 μm）の範囲で測定された。
• 新規再構成アルゴリズムにより、Kramers＝Kronig変換に依存せず、屈折率の実部および虚数部を直接決定できるようになった。
• 測定されたCO氷の誘電関数を用いて、Ossenkopf & Henning (1994) の吸収係数曲線を再現し、手法の正確性を検証した。
• 194 μmを超える波長で ε″ を λ⁻¹ 依存性を用いて外挿することで、誘電関数の実数部を計算するための安定な基盤が得られた。
• 体積分率が0.11（薄い氷）および0.013（厚い氷）である有効媒質近似により、炭素系不純物が氷モデルに適切に組み込まれた。
• 質量加重平均を用いて、ケイ酸塩およびアモルファス炭素の寄与を合算し、全吸収係数を計算した。質量比 M_AC/M_Si = 0.4758 は、Ossenkopf & Henning (1994) と整合的であった。