[論文レビュー] The global dust modelling framework THEMIS (The Heterogeneous dust Evolution Model for Interstellar Solids)

A. P. Jones, M. Koehler+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 149被引用数 80

ひとこと要約

THEMISは、拡散星間介在物質環境全体にわたって塵の組成・構造・進化をモデル化し、微物理学を観測可能な消光と発光へ結びつける、包括的な星間塵フレームワークです。

ABSTRACT

Here we introduce the interstellar dust modelling framework THEMIS (The Heterogeneous dust Evolution Model for Interstellar Solids), which takes a global view of dust and its evolution in response to the local conditions in interstellar media. This approach is built upon a core model that was developed to explain the dust extinction and emission in the diffuse interstellar medium. The model was then further developed to self-consistently include the effects of dust evolution in the transition to denser regions. The THEMIS approach is under continuous development and currently we are extending the framework to explore the implications of dust evolution in HII regions and the photon-dominated regions associated with star formation. We provide links to the THEMIS, DustEM and DustPedia websites where more information about the model, its input data and applications can be found.

研究の動機と目的

• 自己一貫性があり、環境に応じて塵モデルを適用でき、ISМ相の観測される消光と発光を再現できる必要性を動機づける。
• コアCM（core/mantle）塵モデルの説明と、覆膜成長、付着、凝集過程の組み込み。
• 塵の性質が局所条件（密度、放射場）とともにどのように進化し、それが光学特性にどのように影響するかを示す。
• ラボ測定材料を框組みとして統合し、観測的シグネチャを予測する枠組みを構築する方法を概説する。

提案手法

• 無定形珪酸塩（a-Sil Fe,FeS）と水素化無定形炭素（a-C(:H)）を含むコア/マントルの粒子構造を用いる。
• 包含物の複素屈折率からGarnett有効媒質理論を用いて光学特性を計算する。
• 単純な粒子にはミエ理論を、複雑/集合粒子には離散双極近似（DDSCAT）を用いる。
• 覆膜の付着と凝集を通じて拡散ISМからより密度の高い領域へと塵の進化をモデリングし、CM、AMM、AMMIといった構造を作成する。
• 光学特性を実験データに基づき、UV–IR波長範囲をカバーする物理的に動機づけられた外挿で補強する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星間塵は静的な集団ではなく、進化する環境依存の集団としてどのようにモデル化できるか。
• RQ2 拡散ISМで観測される消光と発光を再現する、適切なコア/マントル粒子構造と材料組成は何か。
• RQ3 覆膜付着、凝集、氷覆膜形成は、ISМ相の光学特性をどのように変化させるか。
• RQ4 統一フレームワーク（THEMIS）は、環境駆動進化を通じてPlanckデータセットの制約とクラウドシャイン／コアシャイン観測を説明できるか。
• RQ5 さまざまな環境で星間塵の挙動を正確に予測するために、実験室由来の光学定数で不可欠なものは何か。

主な発見

• 拡散ISМ塵モデル（CM粒子とa-CマントルおよびFe/FeSナノ含有物） は、論じられた炭素・酸素・金属含有量の下で観測された消光と発光を再現できる。
• 密度が高まる過渡期におけるマントル付着と凝集は、CMM、AMM、AMMIといった進化系列を生み出し、雲シャインとコアシャイン観測と整合する光学特性を示す。
• 明示的で物理的動機づけられた塵成分の分布と組成（a-Cナノ粒子、大型のa-C:H/a-C CM粒子、大型のa-Sil Fe,FeS粒子）はPlanck観測および相互モデル比較と一致する。
• モデルは、要素を2つの塵結合体に分類することで観測された欠乏（ depletion）を説明する：シリケート群：O, Si, Mg；鉄群：Fe, Cr, Ni, Ti, Mn、これらはそれぞれ異なる粒子成分に結びつく。
• THEMISをPDRsおよびH II領域へ拡張することで、強いUV場とショックによって駆動される磁性・化学的に動的な塵処理が示唆される。