[論文レビュー] Dust-depletion sequences in damped Ly-{\alpha} absorbers II. The composition of cosmic dust, from low-metallicity systems to the Galaxy

Lars Mattsson, A. De+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ダムプド・ライマン＝アルファ吸収体（DLAs）および銀河系における観測されたダストの希土類パターンを用い、計算的に非炭素系宇宙ダストの組成を推定している。モンテカルロシミュレーションを酸素（O）、ケイ酸塩（Si）、マグネシウム（Mg）、硫黄（S）、鉄（Fe）の元素組成に適用することで、金属鉄および鉄酸化物（特にフスチトライト、FeO）が、それぞれダスト全体の約25％を占める主要な質量成分であることが特定された。一方、ケイ酸塩は鉄が乏しいと鉄を多く含むオルソロナイトおよびパイラーサイトの混合集団であり、特定の主要なタイプは存在しない。

ABSTRACT

We aim at assessing what are the most dominant dust species or types, including silicate and iron oxide grains present in the ISM, by using recent observations of dust depletion of galaxies at various evolutionary stages. We use the observed elemental abundances in dust of several metals (O, S, Si, Mg, and Fe) in different environments, considering systems with different metallicities and dust content, namely damped Lyman-{\alpha} absorbers (DLAs) towards quasars and the Galaxy. We derive a possible dust composition by computationally finding the statistically expected elemental abundances in dust assuming a set of key dust species with the iron content as a free parameter. Carbonaceous dust is not considered in the present study. Metallic iron (likely in the form of inclusions in silicate grains) and iron oxides is an important component of the mass composition of carbon-free dust. Iron oxides make up a significant mass fraction (~1/4 in some cases) of the oxygen-bearing dust and there are good reasons to believe that metallic iron constitutes a similar mass fraction of dust. W\"ustite (FeO) could be a simple explanation for the depletion of iron and oxygen because it is easily formed. There appears to be no silicate species clearly dominating the silicate mass, but rather a mix of iron-poor as well as iron-rich olivine and pyroxene. To what extent sulphur depletion is due to sulfides remains unclear. In general, there seems to be little evolution of the dust composition (not considering carbonaceous dust) from low-metallicity systems to the Galaxy.

研究の動機と目的

• 金属度の範囲（低金属度DLAから銀河系まで）における星間媒体（ISM）における支配的ダスト種の特定。
• さまざまな銀河的環境における金属度およびダスト含量に伴うダスト組成の進化の有無を調査。
• 鉄酸化物や金属鉄などの鉄を多く含む相が、観測された元素の希土類を説明する役割を果たすかを評価。
• 観測された希土類パターンと比較して、標準的なケイ酸塩・グラファイトモデル（SGM）の妥当性を検証。
• 元素組成の統計的モデリングを用いて、主要ダスト成分の質量分率を制約。

提案手法

• DLAsおよび銀河系のガス相における元素組成（水素に対する相対比）を観測し、ダスト希土類度を推定。
• 自由パラメータとしてケイ酸塩中の鉄含有量および金属鉄の豊度を有する、モンテカルロ確率的シミュレーションを適用し、さまざまなダスト組成の可能性を探索。
• 主要なダスト種を検討：鉄が乏しいおよび鉄を多く含むオリビンおよびパイラーサイト、鉄酸化物（例：FeO）、硫化物、金属鉄。
• 元素質量分率に化学计量的制約を課し、観測された希土類パターンとの統計的整合性を評価。
• 特にケイ酸塩中の鉄含有量が臨界比（例：xpy = 2xol）に近づく場合の解空間におけるデゲネラシーを分析。
• 炭素系ダストをモデルから除外し、非炭素系ダストの組成を分離して特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星間媒体（ISM）における観測された金属の希土類を引き起こす主な非炭素系ダスト種は何か？
• RQ2 ケイ酸塩、鉄酸化物、金属鉄の組成が、金属度およびダスト含量に応じてどのように変化するか？
• RQ3 DLAsおよび銀河系における観測された希土類パターンは、ケイ酸塩と鉄含有相の混合物によってどの程度説明可能か？
• RQ4 標準的なケイ酸塩・グラファイトモデル（SGM）は、鉄および酸素の観測された希土類傾向と整合するか？
• RQ5 金属鉄および鉄酸化物は、星間媒体（ISM）の総ダスト質量に対してどの程度の質量分率を占めるか？

主な発見

• 統計的モデリングによる希土類パターン分析から、金属鉄および鉄酸化物は非炭素系ダスト全体の質量のそれぞれ約25％を占める。
• フスチトライト（FeO）は、容易に生成可能で鉄および酸素の希土類を説明できるため、主要な鉄酸化物候補である。
• オリビンやパイラーサイトなどの特定のケイ酸塩種がダスト質量を支配するのではなく、鉄が乏しいと鉄を多く含むケイ酸塩の混合物が必要である。
• 低金属度DLAから銀河系に至るまでの金属度やダスト含量の変化に伴い、非炭素系ダストの全体組成に顕著な進化は認められない。
• 標準的なケイ酸塩・グラファイトモデル（SGM）は、ケイ酸塩にのみ鉄が含まれる場合に十分な鉄含有量を提供できないため、観測された希土類パターンと整合しない。
• 不確実性が存在する中でも、モデルはケイ酸塩や酸化物に結合されていない鉄の大きな割合を強く支持しており、金属鉄の包含が必須であると示唆している。