[論文レビュー] Mantle formation, coagulation and the origin of cloud/core shine: I. Modelling dust scattering and absorption in the infra-red

A. P. Jones, M. Koehler+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 45被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、濃密分子雲における近赤外線（J、H、K）およびスパイトIRAC（3.6、4.5 μm）で観測されたクラウドシャインおよびコアシャインが、アルキル酸を豊富に含む非晶質水素化炭素（a-C:H）被膜の形成と微弱な粒子凝集によって生じるとして提唱する。これらのプロセスは、吸収断面積を低下させつつ散乱を維持することで、アルベドを向上させ、大粒径を必要としない散乱の増強を説明する。これは、光度データからの粉塵質量およびサイズの従来の解釈に挑戦する。

ABSTRACT

Context. The observed cloudshine and coreshine (C-shine) have been explained in terms of grain growth leading to enhanced scatter- ing from clouds in the J, H and K photometric bands and the Spitzer IRAC 3.6 and 4.5 μm bands. Aims. Using our global dust modelling approach THEMIS (The Heterogeneous dust Evolution Model at the IaS) we explore the effects of dust evolution in dense clouds, through aliphatic-rich carbonaceous mantle formation and grain-grain coagulation. Methods. We model the effects of wide band gap a-C:H mantle formation and the low-level aggregation of diffuse interstellar medium dust in the moderately-extinguished outer regions of molecular clouds. Results. The formation of wide band gap a-C:H mantles on amorphous silicate and amorphous carbon (a-C) grains leads to a decrease in their absorption cross-sections but no change in their scattering cross-sections at near-IR wavelengths, resulting in higher albedos. Conclusions. The evolution of dust, with increasing density and extinction in the diffuse to dense molecular cloud transition, through mantle formation and grain aggregation, appears to be a likely explanation for the observed C-shine.

研究の動機と目的

• 濃密分子雲で観測されたクラウドシャインおよびコアシャインの起源を説明すること。
• 希薄な宇宙空間から濃密な宇宙空間への移行における粉塵の進化が、特に散乱および吸収の光学的性質に与える影響を調査すること。
• J、H、KおよびIRAC光度データから粉塵質量、粒子サイズ、視覚的消光（A_V）を導く信頼性を評価すること。
• アルキル酸豊富なa-C:H被膜および初期段階の凝集が、粉塵のアルベドおよび消光断面積に与える影響を評価すること。
• 特に半透明および濃密な雲において、光度データからの粉塵性質の推定に一般的に用いられる仮定に挑戦すること。

提案手法

• 拡散状態から濃密状態への宇宙空間における粉塵進化を模擬するために、THEMIS粉塵進化モデルを用いる。
• 近赤外および中赤外領域におけるa-C:H材料の組成および粒子サイズ依存の光学的性質を、optEC(s)データセットから適用する。
• ギャップが広いa-C:H被膜が非晶質ケイ酸塩およびa-C粒子上に形成され、複素屈折率（m = n + ik）が変化することをモデル化する。
• やや消光の強い外側雲領域における微弱な粒子同士の凝集をシミュレートし、散乱および吸収断面積の変化を追跡する。
• 0.5–8 μmの波長範囲で消光およびアルベドの変化を分析し、特にJ、H、KおよびIRAC 3.6/4.5 μmバンドに注目する。
• HD 207198およびペルセウス領域の観測的傾向、特に消光曲線およびCシャインデータと照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルキル酸豊富なa-C:H被膜の形成は、近赤外領域における粉塵の散乱および吸収にどのように影響するか？
• RQ2 初期段階の粒子凝集および被膜成長は、粉塵のアルベドおよび消光断面積にどの程度の影響を与えるか？
• RQ3 J、H、Kバンド観測で粉塵質量や粒子サイズの著しい増加がないにもかかわらず、なぜ散乱が増強されている（Cシャイン）のか？
• RQ4 観測されたCシャインは、大粒径の存在ではなく、光学的性質の変化によって説明可能か？
• RQ5 半透明および濃密な雲において、J、H、K光度データから導かれるA_V、粉塵質量、粒子サイズの推定値はどの程度信頼できるか？

主な発見

• アルキル酸豊富なa-C:H被膜の形成により、1–8 μmの波長域で粉塵の吸収断面積が最大50％まで低下するが、散乱断面積はほとんど変化しない。
• 被膜形成と最小限の凝集の組み合わせにより、J、H、Kバンドにおける粉塵のアルベドが向上し、大粒径を必要としない散乱の増強（Cシャイン）が説明できる。
• a-C:Hの複素屈折率（n ≈ 2.0–2.5、k ≈ 0.1–0.3）は、弱い赤外吸収と強い散乱をもたらし、逆説的な挙動を示す：消光は低下するがアルベドは上昇する。
• a-C:H被膜の厚さが増すにつれて、特に1–5 μmの波長域で粉塵の消光断面積が減少する。これはk値の低下に起因する。
• J、H、Kバンドの光度データは、FIRおよびB/Vバンドのトレンドから分離しており、半透明な雲ではこれらのバンドから導かれるA_Vが信頼できない可能性を示唆する。
• モデルは、拡散宇宙空間における炭素の枯渇（粉塵中で約200 ppm）が、被膜形成に十分な気体状炭素（約155 ppm）を残しており、濃密雲の外縁部での観測された消光曲線と整合的であると示唆している。