[논문 리뷰] Cosmic ray sputtering yield of interstellar H2O ice mantles : Ice mantle thickness dependence

E. Dartois, M. Chabot외 6명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2018. 09. 24.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 54인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 10 K에서 95 MeV Xe 이온을 사용하여 우주선에 의한 은하간 얼음 막대의 쐐기 제거율을 얼음 두께의 함수로 실험적으로 측정한다. 쐐기 제거율은 약 100 Å 이상에서 포화되며, 이하에서는 감소함을 발견하여 특성 탈착 깊이가 약 100 Å이고, 근접한 단위 비율을 가지며, 무한 두께의 쐐기 제거율이 전자성 정지력에 대해 제곱 비례함을 확인한다 (Y∞ ∝ Se²).

ABSTRACT

Interstellar grain mantles present in dense interstellar clouds are in constant exchange with the gas phase via accretion and desorption mechanisms such as UV, X-ray photodesorption, cosmic ray induced sputtering, grain thermal fluctuations, and chemical reaction energy release. The relative importance of the various desorption mechanisms is of uttermost importance for astrophysical models to constrain the chemical evolution in such high density dense cloud regions. In this experimental work we investigated the sputtering yield as a function of ice mantle thickness, exposed to Xe ions at 95MeV. The ion induced ice phase transformation and the sputtering yield were simultaneously monitored by IR spectroscopy and mass spec- trometry, respectively. The sputtering yield is constant above a characteristic ice layer thickness and starts to decrease below this thickness. An estimate of the sputtering depth corresponding to this length can be evaluated. In these experiments the measured desorption depth corresponds to 30 ice layers. Assuming an effective cylindrical shape for the volume of sputtered molecules, the aspect ratio is close to unity; in the semi-infinite ice film case this ratio is the diameter to height of the cylinder. This result shows that most ejected molecules arise from a rather compact volume. The measured infinite thickness sputtering yield for water ice mantles scales as the square of the ion electronic stopping power (Se). We expect that the desorption depth dependence varies with Se^a , where a=0.5. Astrophysical models should take into account the thickness dependence constraints of these ice mantles in the interface regions when ices are close to their extinction threshold. In the very dense cloud regions, most of the water ice mantles are above this limit for the bulk of the cosmic rays.

연구 동기 및 목표

• 우주선 유사 이온에 의한 은하간 얼음 유사체에서 얼음 막대 두께가 쐐기 제거율에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 95 MeV Xe 이온 조사 조건 하에서 두께가 다른 H2O 얼음 필름에서의 쐐기 제거율과 탈착 깊이를 측정하는 것.
• 붕괴된 분자의 효과적 부피를 분석하여 쐐기 제거 영역의 비율을 정의하는 것.
• 천체물리학적 얼음 막대 진화의 맥락에서 쐐기 제거율이 전자성 정지력(Se)에 따라 어떻게 척도가 되는지 검증하는 것.
• 얼음 막대 형성 초도 단계에서 두께 의존성 탈착을 정량화하여 천체물리학 모델에 실험적 입력을 제공하는 것.

제안 방법

• 95 MeV Xe 이온을 사용하여 두께가 다양하게 조절된 비정질 H2O 얼음 필름을 조사하여 우주선 영향을 시뮬레이션한다.
• 얼음 두께 변화를 실시간으로 적외선 분광법(수소결합 진동 모드 사용)으로 모니터링하여 얼음 손실을 추적한다.
• 질량 분석법을 통해 쐐기 제거된 분자 유량을 측정하여 입사 이온 당 쐐기 제거율을 산정한다.
• 특성 탈착 깊이를 쐐기 제거율이 감소하기 시작하는 두께로 정의하며, 이는 약 100 Å에 해당한다.
• 효과적 쐐기 제거 부피를 실린더로 모델링하고 높이/지름 비율을 계산하여 효과적 쐐기 제거 부피를 평가한다.
• 이전 연구의 데이터를 사용하여 무한 두께의 쐐기 제거율(Y∞)이 전자성 정지력(Se)에 따라 어떻게 척도가 되는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주선 유사 이온 조사 조건에서 은하간 H2O 얼음 막대의 쐐기 제거율은 얼음 막대 두께에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 95 MeV Xe 이온에 의한 타격에서 H2O 얼음의 특성 탈착 깊이(즉, 쐐기 제거율이 감소하기 시작하는 두께)는 얼마인가?
• RQ3 효과적 쐐기 제거 부피의 비율은 얼마이며, 이는 탈출한 분자의 공간 분포에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 H2O 얼음의 경우 무한 두께의 쐐기 제거율은 전자성 정지력(Se)에 따라 어떻게 척도가 되는가?
• RQ5 쐐기 제거율의 두께 의존성은 얼음 막대 진화의 천체물리학 모델 정확도에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 100 Å 이상의 얼음 막대 두께에서 쐐기 제거율은 약 100 ± 20 Å(약 30개의 레이어)에서 일정하게 유지된다.
• 100 Å 이하에서는 쐐기 제거율이 크게 감소하여, 탈착 효율이 떨어지는 임계 두께 이하임을 시사한다.
• 특성 탈착 깊이가 100 ± 20 Å로 추정되며, 이는 얼음 두께 감소에 따라 쐐기 제거율 감소가 시작되는 지점에 해당한다.
• 효과적 쐐기 제거 부위의 비율(높이/지름)은 1에 가까워, 밀도가 높고 거의 구형에 가까운 방출 영역을 나타낸다.
• 무한 두께의 쐐기 제거율은 전자성 정지력에 대해 제곱 비례함(Y∞ ∝ Se²)을 보이며, 이는 이전 H2O 얼음 측정 결과와 일치한다.
• 쐐기 제거 단면적은 5.4–7.5 × 10⁴ Ų로 추정되며, 이는 비정질화 반경이 쐐기 제거 반경보다 1.2–1.4배 더 크다는 것을 의미한다.