[論文レビュー] Variations on a theme - the evolution of hydrocarbon solids: I. Compositional and spectral modelling - the eRCN and DG models

A. P. Jones|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2015

Phase-change materials and chalcogenides参考文献 66被引用数 56

ひとこと要約

本稿では、銀河間空間における水素化非晶質炭素（a-C:H）固体の組成的・スペクトル的進化を模擬するためのeRCNおよびDGモデルを提示する。ランダムな共有結合ネットワークおよび欠陒を有するグラファイト構造に基づき、UV放射および熱アニールが、水素を多く含むアルキル性物質から水素を少なめに含む芳香族性物質への移行を引き起こすことを予測する。その結果、主要なスペクトルシフトおよび分子状水素の生成が生じる。

ABSTRACT

Context. The compositional properties of hydrogenated amorphous carbons are known to evolve in response to the local conditions. Aims. To present a model for low-temperature, amorphous hydrocarbon solids, based on the microphysical properties of random and defected networks of carbon and hydrogen atoms, that can be used to study and predict the evolution of their properties in the interstellar medium. Methods. We adopt an adaptable and prescriptive approach to model these materials, which is based on a random covalent network (RCN) model, extended here to a full compositional derivation (the eRCN model), and a defective graphite (DG) model for the hydrogen poorer materials where the eRCN model is no longer valid. Results. We provide simple expressions that enable the determination of the structural, infrared and spectral properties of amorphous hydrocarbon grains as a function of the hydrogen atomic fraction, XH. Structural annealing, resulting from hydrogen atom loss, results in a transition from H-rich, aliphatic-rich to H-poor, aromatic-rich materials. Conclusions. The model predicts changes in the optical properties of hydrogenated amorphous carbon dust in response to the likely UV photon-driven and/or thermal annealing processes resulting, principally, from the radiation field in the environment. We show how this dust component will evolve, compositionally and structurally in the interstellar medium in response to the local conditions.

研究の動機と目的

• 銀河間空間（ISM）における水素化非晶質炭素（a-C:H）固体の構造的・スペクトル的進化を自己一貫性のあるモデルとして開発すること。
• 黒鉛がダスト成分としての限界を克服し、銀河間炭素質ダストのより現実的な候補として非晶質炭化水素を提案すること。
• アルキル性から芳香族性への変化を動的モデルとして提示し、観測された赤外吸収帯および拡張赤外発光（ERE）を説明すること。
• 光熱的脱水素化プロセスを通じて、分子状水素および小さな炭化水素断片（例：CCH、c-C3H2）の生成を予測すること。
• 宇宙空間における放射および熱的条件下でのダスト粒子の組成的・光学的進化を解釈するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 水素を多く含みアルキル性が支配的なa-C:H材料を対象として、完全な組成的導出を可能にする拡張型ランダム共有結合ネットワーク（eRCN）モデルを採用する。
• eRCNモデルが成立しなくなる、水素を少なく芳香族性が強い材料を対象として、欠陒を有するグラファイト（DG）モデルを導入する。
• 構造的・赤外的・スペクトル的性質を導出するための主要制御パラメータとして、水素原子分率$X_{\rm H}$を用いる。
• UV光子または熱処理による水素損失を介した構造的アニールをモデル化し、$sp^3$支配から$sp^2$支配の炭素ネットワークへの移行を誘導する。
• 結合配置（CH2、CH3、C=Cなど）と$X_{\rm H}$に伴うその進化に基づき、スペクトル的性質（例：3.4、6.85、7.7、11.3 μmにおける赤外帯）を導出する。
• 実験室データおよび天体物理学的観測（銀河間減光および発光特徴）と照合して予測を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素原子分率$X_{\rm H}$に応じて、水素化非晶質炭素（a-C:H）の構造的・スペクトル的進化はどのように変化するか？
• RQ2 UVおよび熱処理の下で、銀河間ダストにおけるアルキル性から芳香族性への炭素構造への移行を引き起こす主要なメカニズムは何か？
• RQ3 eRCNおよびDGモデルは、観測された銀河間赤外吸収および発光特徴をどの程度再現できるか？
• RQ4 光熱的脱水素化は、銀河間空間（ISM）における分子状水素および小さな炭化水素断片の生成に果たす役割は何か？
• RQ5 放射およびアニールによる組成変化に伴い、a-C:H粒子の光学的性質はどのように進化するか？

主な発見

• eRCNモデルは、水素含有量$X_{\rm H}$の関数としてa-C:H材料の組成的・スペクトル的進化をうまく予測でき、$X_{\rm H}$が低下するに従いアルキル性から芳香族性への移行を示す。
• モデルは、$X_{\rm H} \gtrsim 0.57$でCH2/CH3比が0.5〜1.3のダスト粒子が、3.2〜3.6 μm領域における観測された銀河間吸収と最もよく一致すると予測する。
• 光熱的脱水素化は、表面でのH2生成機構に比べて高い温度で効率的な分子状水素の生成をもたらす。
• モデルは、CCH、c-C3H2、C4Hといった脱水素化の生成物としての小さな炭化水素断片の生成を予測しており、観測された銀河間物質と整合的である。
• スペクトル的進化は、構造的アニールが進むに従い、明確にアルキル性（例：3.4 μmにおけるCH伸張振動）から芳香族性（例：6.2、7.7、11.3 μm）特徴へのシフトを示す。
• eRCN/DGモデルは、銀河間空間におけるダストの光学的性質を解釈する強固なフレームワークを提供するが、7.3 μmを超える領域や、ダングリングボンズや格子内水素を有する系については限界が存在する。