[논문 리뷰] Coagulation and Fragmentation in molecular clouds. II. The opacity of the dust aggregate size distribution

Chris W. Ormel, M. Min외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 16.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 59인용 수 71

한 줄 요약

이 연구는 분자운에서-dust 집합체의 투과도를 모델링하며, 융합, 파손, 얼음 막대 성장 등을 고려하여 효과적 매질 이론을 적용한다. 다공성이고 얼음으로 코팅된 집합체는 9.7 μm 규소질 특징을 연장시키고, 근적외선 색상 과잉 대비 규소질 특징의 비율을 감소시키며, 이는 밀도 높은 핵의 관측 결과와 일치한다. 반면 10 μm를 초과해 성장하면 둘 다 약화되며, 집합체 크기가 약 100 μm에 도달하면 밀리미터파 투과도가 크게 증가한다.

ABSTRACT

The dust size distribution in molecular clouds can be strongly affected by ice-mantle formation and (subsequent) grain coagulation. Following previous work where the dust size distribution has been calculated from a state-of-the art collision model for dust aggregates that involves both coagulation and fragmentation (Paper I), the corresponding opacities are presented in this study. The opacities are calculated by applying the effective medium theory assuming that the dust aggregates are a mix of 0.1μm silicate and graphite grains and vacuum. In particular, we explore how the coagulation affects the near-IR opacities and the opacity in the 9.7μm silicate feature. We find that as dust aggregates grow to μm-sizes both the near-IR color excess and the opacity in the 9.7 μm feature increases. Despite their coagulation, porous aggregates help to prolong the presence of the 9.7μm feature. We find that the ratio between the opacity in the silicate feature and the near-IR color excess becomes lower with respect to the ISM, in accordance with many observations of dark clouds. However, this trend is primarily a result of ice mantle formation and the mixed material composition of the aggregates, rather than being driven by coagulation. With stronger growth, when most of the dust mass resides in particles of size 10μm or larger, both the near-IR color excess and the 9.7μm silicate feature significantly diminish. Observations at additional wavelengths, in particular in the sub-mm range, are essential to provide quantitative constraints on the dust size distribution within dense cores. Our results indicate that the sub-mm index β will increase appreciably, if aggregates grow to ~100μm in size.

연구 동기 및 목표

• 분자운에서 먼지 융합과 얼음 막대 형성이 먼지 집합체의 투과도에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 밀도 높은 핵에서 관측된 근적외선 투과도 곡선의 평탄화와 9.7 μm 규소질 특징의 약화를 설명하는 것.
• 집합체 형태(다공성, 조성)가 분자운의 스펙트럼 에너지 분포에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 먼지 성장이 밀리미터파 투과도와 먼지 스펙트럼 지수 β에 끼치는 영향을 평가하는 것.
• 이론적 투과도 경향을 스피티저, 2MASS, 그리고 밀리미터파 조사에서의 관측 제약 조건과 연결하는 것.

제안 방법

• 이전 논문(Paper I)에서 제시된 융합 및 파손을 포함하는 충돌 모델을 사용하여 먼지 집합체 크기 분포를 시뮬레이션한다.
• 효과적 매질 이론을 적용하여 0.1 μm 규소질, 그래파이트, 진공의 혼합물에 얼음 코팅을 추가한 투과도를 계산한다.
• 가스 밀도를 10⁵ cm⁻³로 고정하고 충돌 모델링을 위해 균일한 크기의 구형 입자를 가정한다.
• 공간적 수준과 집합체 수준에서 규소질과 그래파이트 성분의 혼합 비율을 변화시켜 투과도 변화를 시험한다.
• 근적외선(J, K 대역), 9.7 μm 규소질 특징, 그리고 밀리미터파 범위에 중점을 두어 波장 의존성 투과도를 계산한다.
• 먼지 진화의 진단 도구로 9.7 μm 광학적 두께와 근적외선 색상 과잉의 비율(q = τ_sil / E(J−K))을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 먼지 융합은 분자운에서 근적외선 색상 과잉과 9.7 μm 규소질 특징 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 얼음 막대 형성과 혼합된 물질 조성이 밀도 높은 핵에서 관측된 투과도 비율에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 집합체 크기 성장은 밀리미터파 투과도와 먼지 스펙트럼 지수 β에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 밀도 높은 핵에서는 근적외선 투과도 대비 규소질 특징의 비율(q)이 희박한 은하간 공간(ISM)보다 낮은가?
• RQ5 관측된 투과도 경향은 융합만으로 설명될 수 있는가, 아니면 조성의 분리가 필요한가?

주요 결과

• 먼지 집합체가 마이크로미터 크기로 성장함에 따라 산란과 투과도가 증가하여 근적외선 색상 과잉이 증가한다.
• 다공성이고 얼음으로 코팅된 집합체에서는 균일한 입자보다 9.7 μm 규소질 특징이 더 오래 유지되어 약화가 지연된다.
• 9.7 μm 투과도와 근적외선 색상 과잉의 비율(q)은 희박한 ISM의 약 0.34 값 이하로 낮아지며, 주로 얼음 코팅과 혼합된 물질 조성에 기인한다. 융합만으로는 이를 설명할 수 없다.
• 다음과 같은 경우에 근적외선 색상 과잉과 9.7 μm 특징이 둘 다 크게 감소한다: 대부분의 먼지 질량이 약 10 μm 이상의 집합체에 집중된 경우.
• 집합체 크기가 약 100 μm에 도달하면 밀리미터파 투과도가 크게 증가하여 먼지 스펙트럼 지수 β의 명백한 상승이 발생한다.
• q 값이 1보다 훨씬 작은 것은 탄소질과 규소질 입자가 분리된 진화 경로를 시사하며, 이는 오직 규소질 입자만 융합되고 얼음 코팅이 규소질에만 이루어지는 경우를 의미한다. 이는 비일반적인 먼지 진화 경로를 의미한다.