[論文レビュー] The Infrared Band Strengths of H2o, Co and Co2 in Laboratory Simulations of Astrophysical Ice Mixtures

P. A. Gerakines, W. A. Schutte+2 more|ArXiv.org|Sep 28, 1994

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 102

ひとこと要約

本研究では、新規の同時堆積法を用いて、宇宙環境に類似した氷混合物中のH2O、CO、CO2の赤外バンド強度を高精度で測定した。誤差は10%未満にまで低減された。COおよびH2Oのバンド強度は氷マトリックスの組成に対してわずかに依存し、COの温度依存性は従来の報告値よりも著しく小さいことが判明した。この結果、密な分子雲における分子の数密度推定値が見直され、宇宙環境における分子組成の決定に大きな影響を与える。

ABSTRACT

Infrared spectroscopic observations toward objects obscured by dense cloud material show that H$_2$O, CO and, likely, CO$_2$ are important constituents of interstellar ice mantles. In order to accurately calculate the column densities of these molecules, it is important to have good measurements of their infrared band strengths in astrophysical ice analogs. We present the results of laboratory experiments to determine these band strengths. Improved experimental methods, relying on simultaneous independent depositions of the molecule to be studied and of the dominating ice component, have led to accuracies better than a few percent. Furthermore, the temperature behavior of the infrared band strengths of CO and H$_2$O are studied. In contrast with previous work, the strengths of the CO, CO$_2$, and H$_2$O infrared features are found to depend only weakly on the composition of the ice matrix, and the reversible temperature dependence of the CO band is found to be weaker than previously measured for a mixture of CO in H$_2$O.

研究の動機と目的

• 密な分子雲環境における分子の柱密度を決定するために不可欠な、宇宙的氷模擬物質中のH2O、CO、CO2の赤外バンド強度測定の精度を向上させること。
• 従来の手法に起因する系統的誤差（ガスの不均一混合、温度依存性のある蒸気圧、質量依存の堆積速度など）を解消するため、同時に堆積を行う手法を導入すること。
• 特にCOおよびH2Oが宇宙的氷膜において重要な分子であることを踏まえ、氷マトリックスの組成および温度がバンド強度に与える影響を定量化すること。
• ISO観測や埋め込まれた原始星、密な分子雲の赤外観測を解釈する際に使用可能な、見直されたより信頼性の高いバンド強度値を提供すること。

提案手法

• 標的分子（H2O、CO、またはCO2）と主要な氷成分（例：H2OまたはCO）を同時に冷たい基板上に堆積させる二重チューブ堆積装置を用い、氷中の分子比を正確に制御した。
• 混合氷中のバンド強度比（A/A_pure）を測定し、既知で正確な純粋氷バンド値を用いて混合氷の結果を補正した。
• 透過型赤外分光法を用いて吸収スペクトルを取得し、ピーク吸収度に歪みを引き起こす可能性のある鏡面反射法との干渉損失を回避した。
• 10–100 Kの温度範囲で実験を行い、特にCOのバンド強度の温度依存性を評価した。
• 立方格子内におけるH2Oモノマー、ジマー、トリマーの統計的濃度に基づく半経験的モデルを用い、希釈によるバンド強度低下を解釈した。
• 文献値による純粋氷バンド強度と照合し、必要に応じて過去の測定値（例：CO2のCOマトリックス中）と一貫性があるかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙的氷模擬物質中のH2O、CO、CO2の赤外バンド強度は、氷マトリックスの組成にどのように依存するか？
• RQ2 氷の温度がCOのバンド強度に与える影響はどの程度で、従来の測定値と比較してどう異なるか？
• RQ3 H2Oが非極性分子（COおよびCO2）によって希釈されると、3.0 μmのO–H伸張振動バンドの強度はどのように変化するか？
• RQ4 堆積法に起因するアーティファクトが原因で生じた、従来のバンド強度測定値の不一致は、同時に堆積する手法によって解消可能か？

主な発見

• H2O:CO氷混合物中のCO（4.67 μm）のバンド強度は、温度依存性が非常に弱く、10 Kから100 Kに上昇する際に17%低下するにとどまり、従来の鏡面反射法で報告された33%の低下よりも著しく小さい。
• 1.6:1のH2O:CO2混合比ではH2O（3.0 μm）のバンド強度は純粋氷値の88%に低下し、2.1:1のH2O:CO混合比では75%に低下する。これはH2Oクラスター形成に基づく半経験的モデルと整合的である。
• CO、CO2、H2Oのバンド強度は、極性および非極性マトリックスの種類にかかわらず、組成の影響を僅かにしか受けていない。これは、マトリックス効果が従来の推定よりも小さいことを示唆している。
• 100 Kでの再評価されたCOバンド強度は1.0 × 10⁻¹⁷ cm molecule⁻¹であり、10 Kで測定された1.1 × 10⁻¹⁷ cm molecule⁻¹よりもわずかに小さい。これは、極性氷中のCO柱密度を温度依存の値を用いて再計算する必要があることを示している。
• 極性氷膜中のCO柱密度は、従来の推定値よりも1.7倍高く、CO2の柱密度は3.7倍高く推定される。これにより、観測された組成とより整合性が高まる。
• H2O柱密度の決定においては、非極性成分が約30%未満の場合は純粋氷バンド強度が有効であるが、非極性成分が約60%を超えると希釈効果が顕著になる。