[論文レビュー] Cosmic ray sputtering yield of interstellar H2O ice mantles : Ice mantle thickness dependence

E. Dartois, M. Chabot+6 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 24, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 54被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、10 Kで95 MeV Xeイオンを用いて、宇宙線に類似したイオンが作用する際の宇宙空間の水氷膜のイオンスパッタリング収率を、氷の厚さの関数として実験的に測定した。スパッタリング収率は約100 Å（30層）以上で飽和し、それ未満では低下することが判明した。これは、特徴的な脱着深さが約100 Åで、ほぼ1のアスペクト比を示しており、無限厚さにおけるスパッタリング収率が電子的停止力（Se）の二乗に比例すること（Y∞ ∝ Se²）を確認した。

ABSTRACT

Interstellar grain mantles present in dense interstellar clouds are in constant exchange with the gas phase via accretion and desorption mechanisms such as UV, X-ray photodesorption, cosmic ray induced sputtering, grain thermal fluctuations, and chemical reaction energy release. The relative importance of the various desorption mechanisms is of uttermost importance for astrophysical models to constrain the chemical evolution in such high density dense cloud regions. In this experimental work we investigated the sputtering yield as a function of ice mantle thickness, exposed to Xe ions at 95MeV. The ion induced ice phase transformation and the sputtering yield were simultaneously monitored by IR spectroscopy and mass spec- trometry, respectively. The sputtering yield is constant above a characteristic ice layer thickness and starts to decrease below this thickness. An estimate of the sputtering depth corresponding to this length can be evaluated. In these experiments the measured desorption depth corresponds to 30 ice layers. Assuming an effective cylindrical shape for the volume of sputtered molecules, the aspect ratio is close to unity; in the semi-infinite ice film case this ratio is the diameter to height of the cylinder. This result shows that most ejected molecules arise from a rather compact volume. The measured infinite thickness sputtering yield for water ice mantles scales as the square of the ion electronic stopping power (Se). We expect that the desorption depth dependence varies with Se^a , where a=0.5. Astrophysical models should take into account the thickness dependence constraints of these ice mantles in the interface regions when ices are close to their extinction threshold. In the very dense cloud regions, most of the water ice mantles are above this limit for the bulk of the cosmic rays.

研究の動機と目的

• 宇宙線に類似したイオンが作用する際、氷膜の厚さがスパッタリング収率に与える影響を特定すること。
• 95 MeV Xeイオン照射下で、異なる厚さの水氷膜におけるスパッタリング収率と脱着深さを測定すること。
• スパッタリング領域のアスペクト比を分析することで、スパッタリング分子の有効体積を制約すること。
• 星間氷膜の進化を踏まえた文脈で、スパッタリング収率と電子的停止力（Se）とのスケーリング関係を検証すること。
• 氷膜形成の初期段階における厚さ依存性脱着を定量的に評価し、星間モデルに実験的入力を提供すること。

提案手法

• 95 MeV Xeイオンを用いて、厚さが変化する非晶質水氷膜（10–1000 Å）を照射し、宇宙線の影響を模擬した。
• 赤外分光法（OH伸張振動モード）を用いて、氷の厚さの変化をリアルタイムでモニタリングし、氷の損失を追跡した。
• 質量分析法を用いてスパッタリング分子フラックスを測定し、1個の入射イオンあたりのスパッタリング収率を算出した。
• 特徴的な脱着深さを、スパッタリング収率が減少し始めることに対応する厚さとして定義した。これは約100 Åに相当する。
• スパッタリング領域を円柱とモデル化し、アスペクト比（高さ／直径）を計算することで、有効スパッタリング体積を評価した。
• 先行研究のデータを用いて、無限厚さにおけるスパッタリング収率（Y∞）と電子的停止力（Se）とのスケーリング関係を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線に類似したイオン照射下における星間H2O氷膜のスパッタリング収率は、氷膜の厚さにどのように依存するか？
• RQ2 95 MeV Xeイオンの放射線下における水氷の特徴的な脱着深さ（つまり、スパッタリング収率が低下し始める厚さ）は何か？
• RQ3 有効スパッタリング体積のアスペクト比は何か？これは、飛散する分子の空間的分布にどのような意味を持つのか？
• RQ4 水氷における無限厚さにおけるスパッタリング収率は、電子的停止力（Se）とどのようにスケーリングするか？
• RQ5 スパッタリング収率の厚さ依存性は、氷膜進化の星間モデルの精度にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 氷膜の厚さが約100 Å（100 ± 20 Å）以上では、スパッタリング収率が一定に保たれ、約30層に相当する。
• 100 Å未満では、スパッタリング収率が顕著に低下し、脱着効率が低下する閾値厚さがあることが示された。
• 特徴的な脱着深さは100 ± 20 Åと推定され、これは氷の厚さが減少するに従い収率が低下し始める厚さに対応する。
• 有効スパッタリング体積のアスペクト比（高さ／直径）は1に近く、これは、ほぼ球形に近い発射領域を示している。
• 無限厚さにおけるスパッタリング収率は、電子的停止力（Se）の二乗に比例する（Y∞ ∝ Se²）ことが確認され、先行測定と整合的である。
• スパッタリング断面積は5.4–7.5 × 10⁴ Ųと推定され、これはアモルファス化半径がスパッタリング半径の1.2–1.4倍であることを示唆している。