[논문 리뷰] Broadband spectroscopy of astrophysical ice analogs. I. Direct measurement of complex refractive index of CO ice using terahertz time-domain spectroscopy

B. M. Giuliano, Arsenii A. Gavdush외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 26.

Terahertz technology and applications참고 문헌 33인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 28.5–33 K에서 타임도메인 테라헤르츠 분광법을 사용하여 테라헤르츠 영역(0.3–2.0 THz)에서 CO 얼음의 복소 굴절률을 처음으로 직접 측정한다. 새로운 알고리즘이 쿠라머스-크론이그 관계에 의존하지 않고 실수부와 허수부를 재구성하여, 냉각된 천체물리적 환경에서-dust 연속기 반사 전달 모델링을 위한 기준 데이터를 제공한다.

ABSTRACT

Context: Reliable, directly measured optical properties of astrophysical ice analogs in the infrared (IR) and terahertz (THz) range are missing. These parameters are of great importance to model the dust continuum radiative transfer in dense and cold regions, here thick ice mantles are present, and are necessary for the interpretation of future observations planned in the far-IR region. Aims: Coherent THz radiation allows direct measurement of the complex dielectric function (refractive index) of astrophysically relevant ice species in the THz range. Methods: The time-domain waveforms and the frequency-domain spectra of reference samples of CO ice, deposited at a temperature of 28.5 K and annealed to 33 K at different thicknesses, have been recorded. A new algorithm is developed to reconstruct the real and imaginary parts of the refractive index from the time-domain THz data. Results: The complex refractive index in the wavelength range of 1 mm - 150 $μ$m (0.3 - 2.0 THz) has been determined for the studied ice samples, and compared with available data found in the literature. Conclusions: The developed algorithm of reconstructing the real and imaginary parts of the refractive index from the time-domain THz data enables, for the first time, the determination of optical properties of astrophysical ice analogs without using the Kramers-Kronig relations. The obtained data provide a benchmark to interpret the observational data from current ground based facilities as well as future space telescope missions, and have been used to estimate the opacities of the dust grains in presence of CO ice mantles.

연구 동기 및 목표

• 직접 실험 데이터가 희소한 테라헤르츠 영역에서 천체물리적으로 관련성이 있는 CO 얼음의 복소 굴절률을 측정하기 위해.
• 타임도메인 THz 데이터로부터 굴절률을 직접 재구성하는 알고리즘 개발을 통해 간접 방법의 한계를 극복하기 위해.
• 두꺼운 얼음 막대가 있는 냉각되고 밀도가 높은 은하간 영역에서 먼지 연속기 복사 전달 모델링을 위한 기준 광학 상수를 제공하기 위해.
• 측정된 유전율 함수를 사용하여 기존의 투과도 모델(예: Ossenkopf & Henning 1994)을 재현함으로써 신규 방법을 검증하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 실험적으로 유도된 얼음 유사체의 유전율 특성을 제공하여 향후 원거리 적외선 관측의 정확한 해석을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• CO 얼음 시료를 28.5 K에서 증착하고, 다양한 두께로 33 K로 안내하여 타임도메인 THz 파형을 기록하였다.
• 타임도메인 데이터로부터 실수부와 허수부를 직접 추출할 수 있는 새로운 알고리즘을 개발하여 쿠라머스-크론이그 관계에 의존하지 않도록 하였다.
• 측정된 굴절률을 사용하여 표준 전자기학적 관계를 통해 복소 유전율 함수 ε′ − iε″를 재구성하였다.
• 내성 물질(실리케이트 및 비정질 탄소)의 유전율 함수는 Ossenkopf 등(1992)과 Preibisch 등(1993)의 자료를 인용하였으며, 10 K에서 얼음은 H₂O:CH₃OH:CO:NH₃ = 100:10:1:1 혼합물로 간주하였다.
• 194 μm를 초과하는 파장에서 유전율의 허수부는 λ⁻¹ 의존성으로 외삽하였고, 실수부는 카우치 주요값 처리를 포함한 이산 쿠라머스-크론이그 적분을 통해 계산하였다.
• 효과 매질 근사법(Bruggeman)을 사용하여 비정질 탄소를 얼음에 혼합하였으며, 두께가 얇은 경우 체적 분율은 0.11, 두꺼운 경우는 0.013로 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타임도메인 분광법을 사용하여 테라헤르츠 영역에서 CO 얼음의 복소 굴절률을 직접 측정할 수 있는가?
• RQ2 타임도메인 데이터로부터 굴절률 재구성에 사용된 새로운 알고리즘이 천체물리적 얼음 모델링에서 쿠라머스-크론이그 관계의 필요성을 제거하는가?
• RQ3 측정된 CO 얼음의 유전율 함수는 문헌 자료 및 이론적 외삽과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 측정된 광학 특성이 원거리 적외선 영역에서 기존의 먼지 투과도 모델(예: Ossenkopf & Henning 1994)을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 얼음 막대 두께와 조성이 은하간 먼지 입자에서 흡수 효율 및 총 투과도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 복소 굴절률이 타임도메인 THz 분광법을 사용하여 처음으로 0.3–2.0 THz 영역(1 mm에서 150 μm)에서 직접 측정되었다.
• 새로운 재구성 알고리즘이 쿠라머스-크론이그 변환에 의존하지 않고 굴절률의 실수부와 허수부를 직접 결정할 수 있도록 하였다.
• 측정된 CO 얼음의 유전율 함수를 사용하여 Ossenkopf & Henning(1994)의 투과도 곡선을 재현함으로써 방법의 정확성을 검증하였다.
• 194 μm를 초과하는 파장에서 ε″를 λ⁻¹ 의존성으로 외삽함으로써 유전율 함수의 실수부를 계산하는 데 안정적인 기초를 제공하였다.
• 체적 분율이 각각 0.11(얇은 얼음)과 0.013(두꺼운 얼음)인 효과 매질 근사법을 통해 비정질 탄소 포함 물질을 얼음 모델에 성공적으로 통합하였다.
• 질량 가중 평균을 사용하여 실리케이트와 비정질 탄소 기여도를 총 투과도로 계산하였으며, 질량 비율 M_AC/M_Si = 0.4758은 Ossenkopf & Henning(1994)와 일치하였다.