[論文レビュー] Variations on a theme - the evolution of hydrocarbon solids: II. Optical property modelling - the optEC(s) model

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

High-pressure geophysics and materials参考文献 48被引用数 66

ひとこと要約

本論文は、物質のバンドギャップ（E_g）に依存する複素屈折率をモデル化することで、極端紫外線からミリ波にわたる波長域における星間水素化非晶質炭素（a-C:H）ダストの光学的性質を予測する物理ベースのフレームワーク、optEC(s)モデルを紹介する。このモデルは、クレメルズ＝クロニッヒ関係を用いてnとkを連続的に決定可能であり、14種のE_g値について表形式の光学定数を提供する。本モデルは、星間空間（ISM）および系内惑星におけるダスト進化を解釈するための検証可能で柔軟なツールを提供する。

ABSTRACT

Context. The properties of hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) dust are known to evolve in response to the local conditions. Aims. We present an adaptable model for the determination of the optical properties of low-temperature, interstellar a-C:H grains that is based on the fundamental physics of their composition. Methods. The imaginary part of the refractive index, k, for a-C:H materials, from 50 eV to cm wavelengths, is derived and the real part, n, of the refractive index is then calculated using the Kramers-Kronig relations. Results. The formulated optEC(s) model allows a determination of the complex dielectric function, epsilon, and refractive index, m(n, k), for a-C:H materials as a continuous function the band gap, Eg , which is shown to lie in the range = -0.1 to 2.7 eV. We provide expressions that enable a determination of their optical constants and tabulate m(n, k, Eg ) for 14 different values of Eg . We explore the evolution of the likely extinction and emission behaviours of a-C:H grains and estimate the relevant transformation time-scales. Conclusions. With the optEC(s) model we are able to predict how the optical properties of an a-C:H dust component in the interstellar medium will evolve in response to, principally, the local interstellar radiation field. The evolution of a-C:H materials appears to be consistent with many dust extinction, absorption, scattering and emission properties, and also with H2 molecule, daughter PAH and hydrocarbon molecule formation resulting from its photo-driven decomposition.

研究の動機と目的

• 低温星間a-C:Hダストの光学的性質を予測可能な物理的フレームワークを構築すること。既存の実験データでは制限が厳しい。
• 極紫外線からミリ波にわたる波長域における非晶質炭素材料の整合的で連続的な光学定数データの不足を解消すること。
• バンドギャップ（E_g）という根本的パラメータと光学的性質を結びつけることで、星間空間（ISM）におけるダスト進化の研究を可能にすること。
• 将来的な実験データの入手に応じて更新可能な、検証可能で改造可能なフレームワークを提供すること。
• a-C:Hの進化が星間減光、放射、H2、PAH、および小分子炭化水素の生成に与える影響を調査すること。

提案手法

• 50 eVからcm波長域にわたる範囲で、屈折率の虚数部kを基本的物理法則から導出する。
• クレメルズ＝クロニッヒ関係を用いて、kから屈折率の実数部nを計算する。
• バンドギャップE_g（約−0.1〜2.7 eV）を変数として、複素誘電率εおよび屈折率m(n,k)を連続関数としてモデル化する。
• 14種の離散的E_g値についてm(n,k,E_g)の表形式の値を提供し、天体物理学的モデリングを可能にする。
• 将来的な実験測定に柔軟に対応できる、柔軟かつ適応可能なプラットフォームとしてモデルを構築する。
• 異なる天体的環境下におけるa-C:H粒子の光化学的および熱的進化の時間スケールを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的な星間放射場の変化に応じて、星間a-C:Hダストの光学的性質はどのように変化するか？
• RQ2 バンドギャップE_gが非晶質炭素ダストの減光、散乱、放射挙動に果たす役割は何か？
• RQ3 optEC(s)モデルは、観測された星間減光曲線およびFIR-mm放射の変動を定量的に説明できるか？
• RQ4 Hを多く含むa-C:H粒子が、淡い星間空間および濃密星間領域で脱水素化および芳香族化するまでの時間スケールは何か？
• RQ5 a-C:Hダストの進化が、H2分子、PAH、および遊離炭化水素分子の生成にどのように寄与するか？

主な発見

• optEC(s)モデルは、極紫外線からミリ波にわたる全波長域において、a-C:H材料の複素屈折率m(n,k)を連続的かつ物理的根拠に基づき決定可能である。
• バンドギャップ範囲は約−0.1 eVから2.7 eVであり、14種の離散的E_g値について表形式の光学定数が提供されている。
• バンドギャップが低下するに従い、ダストの放射効率指数βは一時的に急激に変化し、E_gが中程度の値をとる段階でβ ≈ 1.8–3.1に達するが、その後Hをほとんど含まず芳香族性が強い状態に至るとβ ≈ 1.4–1.8に平坦化する。
• 光分解領域（PDR）では、nmサイズのa-C:H粒子が約100年以内に芳香族化するが、淡い星間空間（diffuse ISM）ではそのプロセスに約10^6年かかると予測される。
• H-richなa-C:H粒子（E_g ≳ 1 eV）は中赤外域で散乱が強化され、分子雲における「コアシャイン」現象の代替的説明を提供する。
• モデルは、星間減光、放射、および系内惑星における有機物の進化傾向と整合的であり、バンドギャップの低下と赤外帯の強度低下が相関することを予測している。