[論文レビュー] Extinction calculations of multi-sphere polycrystalline graphitic clusters - A comparison with the 2175 AA peak and between a rigorous solution and discrete-dipole approximations

Anja C. Andersen, J. A. Sotelo+2 more|ArXiv.org|Nov 14, 2001

Theoretical and Computational Physics参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Gérardy & Ausloosの厳密な多極子法と2つの離散双極子近似（DDSCATおよびMarCODES）を用いて、多結晶炭素クラスターの消光を計算し、フラクタル構造とコンパクト構造を比較した。その結果、小さなフラクタルクラスター（N ≤ 50、10 nm粒子）は、2175 Åの宇宙空間における消光ピーク（4.6 μm⁻¹）と2%以内の一致を示したのに対し、コンパクトクラスターは4%以上ずれ、フラクタル炭素クラスターが2175 Åピークの強力な候補であることが示された。

ABSTRACT

Certain dust particles in space are expected to appear as clusters of individual grains. The morphology of these clusters could be fractal or compact. In this paper we study the light scattering by compact and fractal polycrystalline graphitic clusters consisting of touching identical spheres. We compare three general methods for computing the extinction of the clusters in the wavelength range 0.1 - 100 micron, namely, a rigorous solution (Gerardy & Ausloos 1982) and two different discrete-dipole approximation methods -- MarCODES (Markel 1998) and DDSCAT (Draine & Flatau 1994). We consider clusters of N = 4, 7, 8, 27,32, 49, 108 and 343 particles of radii either 10 nm or 50 nm, arranged in three different geometries: open fractal (dimension D = 1.77), simple cubic and face-centred cubic. The rigorous solution shows that the extinction of the fractal clusters, with N < 50 and particle radii 10 nm, displays a peak within 2% of the location of the observed interstellar extinction peak at ~4.6 inverse micron; the smaller the cluster, the closer its peak gets to this value. By contrast, the peak in the extinction of the more compact clusters lie more than 4% from 4.6 inverse micron. At short wavelengths (0.1 - 0.5 micron), all the methods show that fractal clusters have markedly different extinction from those of non-fractal clusters. At wavelengths > 5 micron, the rigorous solution indicates that the extinction from fractal and compact clusters are of the same order of magnitude. It was only possible to compute fully converged results of the rigorous solution for the smaller clusters, due to computational limitations, however, we find that both discrete-dipole approximation methods overestimate the computed extinction of the smaller fractal clusters.

研究の動機と目的

• 多結晶炭素クラスターが、宇宙空間における2175 Å消光ピークを再現可能かどうかを調査すること。
• クラスターの消光に対して、Gérardy & Ausloosの厳密な電磁場解法と、離散双極子近似（DDSCATおよびMarCODES）の精度を比較すること。
• クラスターの形態（フラクタル（D = 1.77）対コンパクト（単純立方格子、面心立方格子））が消光特性に与える影響を評価すること。
• 小さなおよび中程度のクラスターに対して、DDA手法の収束性と信頼性を評価すること。
• 単結晶近似（1/3–2/3）ではなく多結晶構造を仮定した場合、2175 Å特徴のピーク位置および幅にどのような影響を与えるかを検討すること。

提案手法

• Gérardy & Ausloos（1982）の厳密な多極子理論を用いて、Draine & Lee（1984）のダイレクト関数を用いた炭素の誘電関数を持つ接触する球体クラスターの消光を計算した。
• 2つの離散双極子近似（DDA）コード、DDSCAT（Draine & Flatau, 1994）およびMarCODES（Markel, 1998）を用いて比較を行った。
• 半径10 nmまたは50 nmの球体をN = 4, 7, 8, 27, 32, 49, 108, および343個用いて、3つの幾何構造（オープンフラクタル（D = 1.77）、単純立方格子、面心立方格子）のクラスターを構築した。
• 0.1–100 μmの波長範囲で消光効率（Q_ext）を計算し、小さなクラスターに対しては多重極の数を増加（最大11まで）させることで収束性を検証した。
• 消光特徴のピーク位置および半値全幅（FWHM）を評価し、観測された2175 Åピーク（4.6 μm⁻¹）と比較した。
• 非対称なコンパクトクラスターの方位依存性を評価し、粒子サイズおよびクラスターサイズへの感度をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小さな、コンパクトな、またはフラクタルな多結晶炭素クラスターは、観測された2175 Å宇宙空間消光ピークを再現可能か？
• RQ2 0.1–100 μmの波長範囲において、フラクタルクラスターの消光特性はコンパクトクラスターとどのように異なるか？
• RQ3 DDSCATおよびMarCODESのDDAコードは、Gérardy & Ausloosの厳密解と比較して、これらのクラスターの消光を予測する上でどの程度の精度を持つか？
• RQ4 単結晶近似（1/3–2/3）ではなく多結晶構造を仮定した場合、2175 Å特徴のピーク位置および幅にどのような影響を与えるか？
• RQ5 クラスターのサイズ（N）および形態（フラクタル対コンパクト）が、消光ピークの安定性および位置に与える影響は何か？

主な発見

• 小さなフラクタルクラスター（N ≤ 50、10 nm粒子）は、観測された4.6 μm⁻¹の宇宙空間ピークと2%以内の一致を示し、より小さなクラスターではさらに良好な一致を示した。
• コンパクトクラスター（単純立方格子および面心立方格子）は、4.6 μm⁻¹から4%以上ずれており、観測結果と一致しないことが示された。
• 短波長域（0.1–0.5 μm）では、フラクタルクラスターとコンパクトクラスターの消光が著しく異なり、形態に敏感であることが明らかになった。
• 波長が5 μmを超える領域では、フラクタルクラスターとコンパクトクラスターの消光は同程度のオーダーとなり、長波長域での類似した振る舞いを示した。
• 両方のDDA手法（DDSCATおよびMarCODES）は、小さなフラクタルクラスターの消光を、Gérardy & Ausloosの厳密解と比較して過大評価しており、特に長波長域で顕著であった。
• |m| > 2の波長域では、吸収が過大評価されており、Draine & Goodman（1993）の予測と一致し、精度は双極子数およびクラスターのサイズに依存した。