[論文レビュー] Interstellar Dust

B. T. Draine|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、スペクトル的特徴、散乱、赤外線放射、および気相反応による元素の欠落を用いて、銀河系間惑星間ダストの組成と粒子径分布をレビューしている。その結果、消光を再現するダストモデルには、元素の欠落から推定されるよりもはるかに多くの粒子体積が必要であることが明らかになった。本研究では、ダスト粒子が新しい星における気相反応のD/H比を低下させ、元素の組成を変化させ得ることを提案し、局所銀河系間物質における観測されたD/H比の変動を説明するメカニズムを提示している。

ABSTRACT

In the interstellar medium of the Milky Way, certain elements -- e.g., Mg, Si, Al, Ca, Ti, Fe -- reside predominantly in interstellar dust grains. These grains absorb, scatter, and emit electromagnetic radiation, heat the interstellar medium by photoelectric emission, play a role in the ionization balance of the gas, and catalyze the formation of molecules, particularly H2. I review the state of our knowledge of the composition and sizes of interstellar grains, including what we can learn from spectral features, luminescence, scattering, infrared emission, and observed gas-phase depletions. The total grain volume in dust models which reproduce interstellar extinction is significantly greater than estimated from observed depletions. Dust grains might reduce the gas-phase D/H ratio, providing an alternative mechanism to explain observed variations in the gas-phase D/H ratio in the local interstellar medium. Transport in dust grains could cause elemental abundances in newly-formed stars to differ from interstellar abundances.

研究の動機と目的

• ミルキーウェイ銀河系の銀河系間物質におけるダストの組成と粒子径分布に関する現在の知識を統合すること。
• 観測された気相反応による元素の欠落から推定されるダストモデルと、銀河系間消光を再現するダストモデルとの間の不一致を調査すること。
• 局所銀河系間物質における観測されたD/H比の変動を説明する代替的メカニズムとして、ダスト粒子による重水素の封入が気相反応のD/H比を低下させることの役割を評価すること。
• 新しく形成された星における元素の組成が銀河系間物質の組成と比べて、ダスト粒子の輸送によってどの程度変化するかを評価すること。

提案手法

• スペクトル的特徴の分析により、銀河系間ダスト粒子の化学的組成を推定する。
• 発光および散乱データを用いて、粒子径分布および光学的性質を制約する。
• 赤外線放射の特性を評価することで、粒子の温度およびサイズを推定する。
• Mg、Si、Al、Ca、Ti、Feなどの元素の観測された気相反応による欠落とダストモデルを比較し、全粒子体積を推定する。
• ダストが銀河系間物質におけるイオン化平衡およびH2生成に与える影響をモデル化する。
• ダストが重水素を封入する可能性を評価し、これにより気相反応のD/H比に影響を与える可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたスペクトル的特徴、散乱、赤外線放射は、銀河系間ダスト粒子の組成と粒子径分布をどの程度制約するか？
• RQ2 なぜ消光を再現するモデルに必要な全粒子体積が、Mg、Si、Al、Ca、Ti、Feなどの元素の気相反応による欠落から推定される体積よりも著しく大きいのか？
• RQ3 ダスト粒子による重水素の封入が、局所銀河系間物質における気相反応のD/H比の変動を説明できるか？
• RQ4 ダスト粒子は、新しく形成された星における元素の組成を、銀河系間物質と比べてどの程度変化させるか？

主な発見

• 銀河系間消光を再現するダストモデルには、Mg、Si、Al、Ca、Ti、Feなどの元素の気相反応による欠落から推定されるよりも著しく大きな全粒子体積が必要である。
• 銀河系間ダスト粒子は電磁放射を吸収・散乱・放射し、光電離放射により銀河系間物質を加熱する。
• ダスト粒子は銀河系間ガスのイオン化平衡を決定づけ、H2分子の生成を触媒する重要な役割を果たす。
• 重水素がダスト粒子に封入されることで、気相反応のD/H比が低下し得る。これは、局所銀河系間物質における観測されたD/H比の変動を説明する代替的メカニズムを提供する。
• ダスト粒子に含まれる元素の輸送は、銀河系間の組成と新しく形成された星における組成との差異を生じる可能性がある。