[論文レビュー] Morphological effects on IR band profiles: Experimental spectroscopic analysis with application to observed spectra of oxygen-rich AGB stars

Akemi Tamanai, H. Mutschke+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 74被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、酸化物ダストの19種類の試料の減光スペクトルを測定することで、酸素過剰なA型巨星（AGB星）における赤外帯域プロファイルに及ぼす形態的効果を調査した。その結果、エナターゼ（TiO₂）が丸みを帯びた縁を持つ場合、13、19.5、および28 μmの発光特徴の主な担い手であることが判明した。球状のナノサイズのスピネルおよびAl₂TiO₅は13 μm特徴を強化し、28 μm帯に寄与している。実験データは、天文学的モデル化に利用可能な公開データとして提供されている。

ABSTRACT

To trace the source of the unique 13, 19.5, and 28 $μ$m emission features in the spectra of oxygen-rich circumstellar shells around AGB stars, we have compared dust extinction spectra obtained by aerosol measurements. We have measured the extinction spectra for 19 oxide powder samples of eight different types, such as Ti-compounds (TiO, TiO$_2$, Ti$_2$O$_3$, Ti$_3$O$_5$, Al$_2$TiO$_5$, CaTiO$_3$), $α$-, $γ$-, $χ$-$δ$-$κ$-Al$_2$O$_3$, and MgAl$_2$O$_4$ in the infrared region (10 - 50 $μ$m) paying special attention to the morphological (size, shape, and agglomeration) effects and the differences in crystal structure. Anatase (TiO$_2$) particles with rounded edges are the possible 13, 19.5 and 28 $μ$m band carriers as the main contributor in the spectra of AGB stars, and spherically shaped nano-sized spinel and Al$_2$TiO$_5$ dust grains are possibly associated with the anatase, enhancing the prominence of the 13 $μ$m feature and providing additional features at 28 $μ$m. The extinction data sets obtained by the aerosol and CsI pellet measurements have been made available for public use at http://elbe.astro.uni-jena.de

研究の動機と目的

• 酸素過剰なA型巨星の周囲環境における13、19.5、および28 μm発光特徴の鉱物学的および形態的起源を特定すること。
• 粒子サイズ、形状、凝集体化、結晶構造が、実験的に再現されたダスト粒子における赤外帯域プロファイルに与える影響を分離すること。
• 観測されたA型巨星スペクトルと直接比較可能な酸化物ダストの実験的測定減光スペクトルを提供すること。
• 天文学的モデル化に利用可能な公開データベースを整備し、赤外減光効率データ、顕微鏡像、スペクトルピーク位置を収録すること。

提案手法

• TiO₂多形、Al₂O₃多形、スピネル型化合物を含む19種類の酸化物粉末試料の赤外減光スペクトル（10–50 μm）を測定した。
• エアロゾル法を用いて孤立した非凝集体粒子を、CsIプレート法を用いて塊体試料を測定した。
• 粒子の形状が与える影響を、球状対非球状粒子の比較を通じて分析し、縁の丸み、凝集体化、表面積効果に注目した。
• SEMおよびTEM像を用いて結晶構造と粒子形状との相関を分析し、形態的仮定の妥当性を検証した。
• 形態係数分布モデルを適用して、測定スペクトルから減光効率および質量濃度を推定した。
• http://elbe.astro.uni-jena.de/ で、減光効率データ、スペクトルプロット、ピーク位置、顕微鏡像を含む公開データベースを構築・公開した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの結晶性酸化物相が、酸素過剰なA型巨星で観測された13、19.5、および28 μm発光特徴を最もよく再現するか？
• RQ2 粒子の形態、特にサイズ、形状、凝集体化が、ダスト粒子の赤外帯域プロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 縁が丸みを帯びたエナターゼ（TiO₂）が、A型巨星スペクトルにおける13、19.5、および28 μm特徴の同時存在を説明できるか？
• RQ4 球状ナノサイズのスピネルおよびAl₂TiO₅が、13 μmおよび28 μm特徴をどれほど強化または寄与するか？
• RQ5 アモルファス材料は、混合ダスト粒子系における結晶特徴の顕著さと幅にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 縁が丸みを帯びたエナターゼ（TiO₂）粒子が、酸素過剰なA型巨星における13、19.5、および28 μm発光特徴の最も可能性の高い担い手である。
• 球状ナノサイズのスピネル（MgAl₂O₄）およびAl₂TiO₅ダスト粒子は13 μm特徴を強化し、28 μm帯に追加の発光を寄与している。
• 観測されたA型巨星スペクトルにおける13 μm帯域プロファイルは、丸みを帯びた形態の結晶性エナターゼで最もよく一致し、アモルファスまたは他の多形では不適切である。
• エアロゾル法とCsIプレート法による実験的減光スペクトルは一貫した帯域プロファイルを示し、データの信頼性が裏付けられた。
• 非球状粒子の凝集体化は表面積が高いため増加するが、球状粒子ではこの効果が顕著でなく、鋭いスペクトル特徴を維持する。
• http://elbe.astro.uni-jena.de/ で、減光効率データ、顕微鏡像、スペクトルピーク位置を含む公開データベースが利用可能であり、天文学的モデル化に活用可能である。