[論文レビュー] Self-scattering of non-spherical dust grains. The limitations of perfect compact spheres

Florian Kirchschlager, Gesa H.-M. Bertrang|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 28被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、自己散乱モデルにおけるほこり粒子が完全な球形であるという仮定に疑問を呈し、特に扁平な粒子形状が、100 μm以上のミリ波長域（>100 μm）で球形よりも顕著に高い偏光度を生じることを示している。結果は、球形モデルが偏光度を低く見積もっており、粒子サイズの推定値を10倍程度誤差を含む可能性があることを示しており、ALMA観測からの現在のほこり粒子サイズ推定値の再評価が不可欠であることを示唆している。

ABSTRACT

Context. The understanding of (sub-)millimetre polarisation has made a leap forward since high-resolution imaging with the Atacama Large (sub-)Mm Array (ALMA) became available. Amongst other effects, self-scattering (i.e. the scattering of thermal dust emission on other grains) is thought to be the origin of millimetre polarisation. This opens the first window to a direct measurement of dust grain sizes in regions of optically thick continuum emission as it can be found in protoplanetary discs and star-forming regions. However, the newly derived values of grain sizes are usually around ~100 μm and thus one order of magnitude smaller than those obtained from more indirect measurements, as well as those expected from theory (~1 mm). /
 
 Aims. We see the origin of this contradiction in the applied dust model of current self-scattering simulations: a perfect compact sphere. The aim of this study is to test our hypothesis by investigating the impact of non-spherical grain shapes on the self-scattering signal. /
 
 Methods. We applied discrete dipole approximation simulations to investigate the influence of the grain shape on self-scattering polarisation in three scenarios: an unpolarised and polarised incoming wave under a fixed and a varying incident polarisation angle. /
 
 Results. We find significant deviations of the resulting self-scattering polarisation when comparing non-spherical to spherical grains. In particular, tremendous deviations are found for the polarisation signal of grains when observed outside the Rayleigh regime, that is for >100 μm sized grains observed at the 870 μm wavelength. Self-scattering by oblate grains produces higher polarisation degrees compared to spheres, which challenges the interpretation of the origin of observed millimetre polarisation. A (nearly) perfect alignment of the non-spherical grains is required to account for the observed millimetre polarisation in protoplanetary discs. Furthermore, we find conditions under which the emerging scattering polarisation of non-spherical grains is flipped in orientation by 90°. /
 
 Conclusions. These results show clearly that the perfect compact sphere is an oversimplified model, which has reached its limit. Our findings point towards a necessary re-evaluation of the dust grain sizes derived from (sub-)millimetre polarisation.

研究の動機と目的

• 非球形ほこり粒子形状が（準）ミリ波長域における自己散乱偏光に与える影響を調査すること。
• 観測されたミリ波偏光と理論的・間接的な粒子サイズ推定値（約1 mm 対 約100 μm）の不一致を解明すること。
• 自己散乱シミュレーションにおける完全な球形粒子の仮定が、粒子サイズ推定に系統的バイアスをもたらすかどうかを検証すること。
• 粒子形状が偏光度および偏光方位角に与える影響、特にレイリー領域外での影響を評価すること。

提案手法

• 非球形ほこり粒子の散乱をモデル化するために、離散双極子近似（DDA）シミュレーションが用いられた。
• 3つのシナリオをシミュレートした：偏光なしおよび偏光ありの入射波、固定および変化する入射偏光角度を想定した。
• 粒子形状には扁平形、棒状形、球形を含め、散乱特性を比較した。
• 870 μmの波長で、100 μm以上の粒子サイズに対して偏光度および偏光方位角を計算した。
• 粒子サイズが観測波長よりも大きい、レイリー近似が成立しない領域に焦点を当てた。
• 標準的な球形粒子モデルと比較し、偏光応答における乖離を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非球形ほこり粒子形状は、ミリ波長域における自己散乱偏光の度合いと向きにどのように影響を与えるか？
• RQ2 レイリー領域外において、扁平な粒子形状は球形粒子と比較して偏光度をどの程度増幅するか？
• RQ3 現実的な整列状態のもとで、非球形粒子を用いて原始惑星系円盤の観測されたミリ波偏光を再現可能か？
• RQ4 非球形粒子モデルにおいて、偏光方位角が90°反転する条件は何か？
• RQ5 球形粒子の仮定が、ALMA偏光データからの推定粒子サイズにどのような系統的バイアスをもたらすか？

主な発見

• 非球形粒子、特に扁平形状の粒子は、870 μm付近の波長域および100 μm以上の粒子サイズで、球形粒子よりも顕著に高い偏光度を示した。
• 扁平粒子の偏光度は、球形粒子を大幅に上回り、特にレイリー領域外で顕著に高くなる。
• 非球形粒子を用いる場合、観測されたミリ波偏光レベルを再現するには、ほぼ完全な粒子整列が不可欠である。
• 特定の配置では、粒子形状の非対称性により、散乱光の偏光方位角が90°反転することがある。
• 完全な球形粒子の仮定は、偏光度を系統的に低く見積もっており、そのようなモデルから導かれる現在の粒子サイズ推定値は無効である。
• これらの発見は、現在の（準）ミリ波偏光から推定されるほこり粒子サイズ（一般的に約100 μm）が、実際には10倍程度小さく見積もられている可能性を示唆している。