[論文レビュー] Coagulation and Fragmentation in molecular clouds. II. The opacity of the dust aggregate size distribution

Chris W. Ormel, M. Min+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2011

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ひとこと要約

本研究では、有効媒質理論を用いて、凝集、破壊、氷被覆の成長を考慮した分子雲内におけるダスト凝集体の光学濃度をモデル化する。その結果、多孔質で氷被覆のある凝集体は、9.7 μmのケイ酸塩特徴を長期間維持し、近赤外色超過に対するケイ酸塩特徴の比を低下させることが判明した——これは、密集核の観測と整合的である。一方、10 μmを超えて成長すると、両特徴ともに弱まるが、凝集体が約100 μmに達すると、ミリ波帯の光学濃度が顕著に増加する。

ABSTRACT

The dust size distribution in molecular clouds can be strongly affected by ice-mantle formation and (subsequent) grain coagulation. Following previous work where the dust size distribution has been calculated from a state-of-the art collision model for dust aggregates that involves both coagulation and fragmentation (Paper I), the corresponding opacities are presented in this study. The opacities are calculated by applying the effective medium theory assuming that the dust aggregates are a mix of 0.1μm silicate and graphite grains and vacuum. In particular, we explore how the coagulation affects the near-IR opacities and the opacity in the 9.7μm silicate feature. We find that as dust aggregates grow to μm-sizes both the near-IR color excess and the opacity in the 9.7 μm feature increases. Despite their coagulation, porous aggregates help to prolong the presence of the 9.7μm feature. We find that the ratio between the opacity in the silicate feature and the near-IR color excess becomes lower with respect to the ISM, in accordance with many observations of dark clouds. However, this trend is primarily a result of ice mantle formation and the mixed material composition of the aggregates, rather than being driven by coagulation. With stronger growth, when most of the dust mass resides in particles of size 10μm or larger, both the near-IR color excess and the 9.7μm silicate feature significantly diminish. Observations at additional wavelengths, in particular in the sub-mm range, are essential to provide quantitative constraints on the dust size distribution within dense cores. Our results indicate that the sub-mm index β will increase appreciably, if aggregates grow to ~100μm in size.

研究の動機と目的

• 分子雲内におけるダスト凝集体の光学濃度が、凝集および氷被覆形成によってどのように変化するかを定量化すること。
• 密集核における近赤外減光曲線の平坦化および9.7 μmケイ酸塩特徴の弱体化を説明すること。
• 凝集体の形態（多孔質性、組成）が、分子雲のスペクトルエネルギー分布に与える影響を評価すること。
• ダスト成長がミリ波帯光学濃度およびダストスペクトル指数βに与える影響を評価すること。
• 理論的光学濃度の傾向を、Spitzer、2MASS、およびミリ波帯調査からの観測的制約と結びつけること。

提案手法

• 凝集と破壊を含む衝突モデル（論文Iより）を用いて、ダスト凝集体のサイズ分布をシミュレートする。
• 有効媒質理論を適用し、0.1 μmのケイ酸塩、グラファイト、真空の混合物に氷被覆を加えた光学濃度を計算する。
• ガス密度を10⁵ cm⁻³に固定し、衝突モデルに用いる球状粒子の均一サイズを仮定する。
• ケイ酸塩とグラファイトの混合割合（空間的混合対凝集体レベルの混合）を変化させ、光学濃度の変動をテストする。
• 近赤外（Jバンド、Kバンド）、9.7 μmケイ酸塩特徴、ミリ波帯を焦点として、波長依存光学濃度を計算する。
• ダスト進化の診断指標として、9.7 μm光学濃度と近赤外色超過の比（q = τ_sil / E(J−K)）を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダスト凝集は、分子雲内における近赤外色超過および9.7 μmケイ酸塩特徴の強度にどのように影響するか？
• RQ2 氷被覆形成および混合材料組成は、密集核における観測された光学濃度比にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 凝集体サイズの成長は、ミリ波帯光学濃度およびダストスペクトル指数βにどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 なぜ密集核では、希釈銀河間空間（ISM）よりも、ケイ酸塩特徴と近赤外減光の比（q）が低いか？
• RQ5 凝集のみで観測された光学濃度傾向を説明できるか、それとも組成の分離（デカップリング）が必要か？

主な発見

• ダスト凝集体がμmスケールに成長すると、散乱と減光の増加により、近赤外色超過が増加する。
• 多孔質で氷被覆のある凝集体では、密な粒子よりも9.7 μmケイ酸塩特徴が長期間にわたり検出可能となり、弱体化が遅れる。
• 9.7 μm光学濃度と近赤外色超過の比（q）は、希釈ISMの値（約0.34）を下回り、主に氷被覆と混合材料組成によるものであり、凝集のみによるものではない。
• ダスト質量の大部分が10 μmを超える凝集体に集中すると、近赤外色超過および9.7 μm特徴の両方が顕著に弱体化する。
• 凝集体が約100 μmに成長すると、ミリ波帯光学濃度が著しく増加し、ダストスペクトル指数βも顕著に上昇する。
• q値が1より著しく小さい場合、炭素質とケイ酸塩粒子の分離（デカップリング）が必要である——つまり、ケイ酸塩のみが凝集し、氷がケイ酸塩に付着する——これは、普遍的ではないダスト進化経路を示唆する。