[論文レビュー] Equilibrium chemistry down to 100 K - Impact of silicates and phyllosilicates on carbon/oxygen ratio

P. Woitke, Ch. Helling+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

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ひとこと要約

論文は、平衡ガス相化学と凝縮を含む高速熱化学平衡コード GGchem を提示し、シリケートと葉緑体硫酸塩の凝縮がガス相の C/O 比と塵形成の種となる影響を分析する（特にタングステン）。

ABSTRACT

We introduce a fast and versatile computer code, GGchem, to determine the chemical composition of gases in thermo-chemical equilibrium down to 100 K, with or without equilibrium condensation. We review the data for molecular equilibrium constants, kp(T), from several sources and discuss which functional fits are most suitable for low temperatures. We benchmark our results against another chemical equilibrium code. We collect Gibbs free energies, dG(T), for about 200 solid and liquid species from the NIST-JANAF database and the geophysical database SUPCRTBL. We discuss the condensation sequence of the elements with solar abundances in phase equilibrium down to 100 K. Once the major magnesium silicates Mg2SiO4[s] and MgSiO3[s] have formed, the dust/gas mass ratio jumps to a value of about 0.0045 which is significantly lower than the often assumed value of 0.01. Silicate condensation is found to increase the carbon/oxygen ratio (C/O) in the gas from its solar value of ~0.55 up to ~0.71, and, by the additional intake of water and hydroxyl into the solid matrix, the formation of phyllosilicates at temperatures below ~400 K increases the gaseous C/O further to about 0.83. Metallic tungsten (W) is the first condensate found to become thermodynamically stable around 1600 - 2200 K (depending on pressure), several hundreds of Kelvin before subsequent materials like zirconium dioxide (ZrO2) or corundum (Al2O3) can condense. We briefly discuss whether tungsten, despite its low abundance of ~2.E-7 times the silicon abundance, could provide the first seed particles for astrophysical dust formation. The GGchem code is publicly available at https://github.com/pw31/GGchem.

研究の動機と目的

• 100 K までの平衡凝縮の有無に関係なく、熱化学平衡における気相組成を決定する高速で汎用的なコード（GGchem）を開発・検証する。
• NIST-JANAF、SUPCRTBL、Barklem & Collet など複数ソースの分子および凝縮相の熱化学データを一貫性と低温信頼性の観点から見直し・ベンチマークする。
• Mg-シリケートを中心とした凝縮系列が元素予算と結果としてのガス相のC/O比をどのように変化させるか、400 K 未満での葉緑体硫酸塩の役割を含めて分析する。
• 第一の凝縮種（例：タング tungsten）と天体塵形成の初期種としての可能性を調査する。
• GGchem コードとデータをコミュニティに公開する。

提案手法

• ガス相化学組成を、凝縮の有無に関係なくギブズ自由エネルギーを最小化することにより解く。
• 分子形成の平衡定数 k_p(T) を ΔG_f° から導出し、温度依存のフィット（Stock らの形式を採用）を用いてガス相・凝縮相の平衡を評価する。
• 超飽和比 S_j および凝縮蒸気圧 p_vap(T) による相平衡を組み込み、凝縮によって気相元素 abundance を反復的に低下させる。
• 数値安定性を高めるため低温（100 K まで）でネステッドな平衡化学と四重精度算術を用いたニュートン法を適用する。
• 凝縮体の ΔG_f°(T) を NIST-JANAF および SUPCRTBL からデータを用い、低温外挿を可能にする頑健な関数で複数データをフィットする。
• 公開用の GGchem 実装（FORTRAN-90）を、更新データと事前反復スキームを追加して提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平衡凝縮は、100 K までの温度範囲でガス相元素組成と全体の化学組成をどう変えるのか？
• RQ2 太陽組成の凝縮序列はどうなり、シリケートおよび葉緑体硫酸塩形成はガス相の C/O 比にどのような影響を与えるか？
• RQ3 どの凝縮体が最初に形成されるのか（例：Mg2SiO4、MgSiO3、タングステン）そしてどの条件で熱力学的に安定になるのか？
• RQ4 タングステンは低豊富度にも関わらず塵形成の初期種子として機能し得るか？
• RQ5 100–6000 K の範囲で、異なる熱化学データソースは分子および凝縮相平衡の予測にどの程度異なるか？

主な発見

• 主要なマグネシウムシリケート（Mg2SiO4 および MgSiO3）の凝縮は、塵/ガス質量比のジャンプを約 0.0045 に引き起こす。
• シリケートの凝縮はガス相の C/O を太陽値約 0.55 から約 0.71 に引き上げ、400 K 未満での葉緑体硫酸塩形成は C/O をさらに約 0.83 へと上昇させ得る。
• タングステン（W）は 1600–2200 K（圧力依存）で初めて熱力学的安定性を得る最初の凝縮体であり、ZrO2 および Al2O3 に先行して天体塵形成の種となり得る。
• GGchem コードは四重精度と改良された事前反復戦略により、100 K まで正確な結果を提供し、GGchem GitHub リポジトリで公開されている。
• 複数ソースの k_p(T) データの総合比較は、一部分子で最大約 10 kJ/mol の顕著な偏差を示し、低温外挿のデータ選択とフィット形式の重要性を強調している。
• 凝縮過程の統合はガス相の存在量とスペクトル予測に大きく影響を与え、低温/系外惑星環境での平衡凝縮をモデル化する必要性を示している。