[논문 리뷰] Dust in Brown Dwarfs and Extra-solar Planets I. Chemical composition and spectral appearance of quasi-static cloud layers

Ch. Helling, P. Woitke외 1명|ArXiv.org|2008. 03. 30.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 43인용 수 86

한 줄 요약

이 논문은 백색왜성과 외계행성의 준정적 구름층에 대한 운동학적 모델을 수립하며, 다성분 응축물로 구성된 '더러운' 먼지 입자들의 핵형성, 성장, 증발, 중력적 침강을 고려한다. 모델은 고도에 따라 입자 크기가 증가함을 발견하였으며, 이는 상층부에서 약 0.01 μm에서 하층부에서 약 100 μm로 변화한다. 구성 성분은 실리케이트에서 고융점 산화물(Fe[s], Al₂O₃[s])으로 변화하고, 중적외선 스펙트럼에서는 MgSiO₃[s]와 Mg₂SiO₄[s]의 약한 넓은 특징이 나타나며, 이들의 투과도는 산란보다 흡수에 의해 지배된다.

ABSTRACT

We aim at understanding the formation of cloud layers in quasi-static substellar atmospheres. The time-dependent description presented in (Helling & Woitke 2006) is a kinetic model describing nucleation, growth and evaporation. It is extended to treat gravitational settling and is applied to the static-stationary case of substellar model atmospheres. From the solution for the dust moments, we determine the grain size distribution function which, together with the calculated material volume fractions, provides the basis to calculate the opacities of the composite dust grains. The cloud particles in brown dwarfs and hot giant-gas planets are found to be small in the high atmospheric layers (0.01mum), and composed of a rich mixture of all considered condensates, in particular the abundant MgSiO3[s], Mg2SiO4[s] and SiO2[s]. As the particles settle downward, they increase in size and reach several 100mum in the deepest layers. The more volatile parts of the grains evaporate and the particles stepwise purify to form composite particles of high-temperature condensates in the deeper layers, mainly Fe[s] and Al2O3[s]. The gas phase abundances of the elements involved in the dust formation process vary by orders of magnitudes throughout the atmosphere. The grain size distribution is found to be relatively broad in the upper atmospheric layers but often strongly peaked in the deeper layers. The spectral appearance of the cloud layers in the mid IR (7-20mum) is close to a grey body with only weak broad features on a few percent level, mainly caused by MgSiO3[s], and Mg2SiO4[s]. Our models predict that the gas phase depletion is much weaker as compared to phase-equilibrium calculations in the high atmospheric layers. [abridged]

연구 동기 및 목표

• 준정적 다성분 먼지 구름층이 복합행성的大기에서 어떻게 형성되고 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는지 이해하기 위해.
• 다양한 고체 응축물로 구성된 '더러운' 먼지 입자의 화학 조성, 입자 크기 분포, 침강 거동을 모델링하기 위해.
• 응축 가능한 원소들(Mg, Si, Fe, Al 등)이 먼지 형성으로 인해 기체상에서 얼마나 제거되는지 정량화하여, 평형상태 가정에 도전하기 위해.
• 이러한 구름층이 중적외선(7–20 μm)에서 어떻게 스펙트럼적으로 나타나는지 예측하기 위해, 특히 실리케이트 특징의 강도와 기원을 규명하기 위해.
• 비평형 먼지 형성의 영향을 고려하여 대기 중 금속 농도, 스펙트럼선 깊이, 연령 추정에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 정적-정적 대기에서 중력 침강을 고려하여 Helling & Woitke(2006)의 시간 의존 운동모멘트 방법을 확장한다.
• 입자 크기 분포 함수 f(a)를 복수의 기능형태(이중 델타 피크형 및 지수형)를 사용하여 모멘트(K₁부터 K₄까지)를 통해 재구성한다.
• 복합 다상 먼지 입자의 투과도를 계산하기 위해 효과적 매질 이론과 마이 테올리를 적용하며, 물질 부피 분율과 크기 분포를 기반으로 한다.
• 대기층 전반에 걸쳐 핵형성(T ≲ 1400 K), 성장, 증발, 원소 보존을 포함한 먼지 형성의 수직 구조를 해결한다.
• 기체상의 응축 가능한 원소 농도를 계산하고, 이를 평형상태 예측과 비교하여 비평형 효과를 평가한다.
• 복사 전달 및 대류 일관성 모델을 사용하여 850 K에서 1300 K 사이의 관측 가능한 스펙트럼 특징을 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 백색왜성과 핫 줌프의 대기 중에서 고도에 따라 먼지 입자의 크기, 조성, 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 복합적이고 더러운 먼지 입자에서 중적외선(7–20 μm) 복사 스펙트럼은 어떻게 생겼으며, 어떤 특징이 지배적인가?
• RQ3 비평형 조건에서 Mg, Si, Fe, Al 등의 기체상 농도 감소는 평형상태 모델에 비해 어느 정도 감소하는가?
• RQ4 결과적으로 도출된 먼지 투과도와 스펙트럼 특징은 회색 몸체 또는 순수 실리케이트 모델이 예측한 것과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 비평형 먼지 형성의 영향은 금속 공명선과 대기 중 금속 농도 해석에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 입자 크기는 상층부에서 약 0.01 μm에서 하층부에서 약 100 μm로 증가하며, 상층부에서는 넓은 분포를 보이고 하층부에서는 핵형성이 멈추면서 피크 분포를 형성한다.
• 먼지 입자는 처음에는 MgSiO₃[s], Mg₂SiO₄[s], SiO₂[s]의 혼합물로 구성되며, 더 깊고 더 뜨거운 층에서는 더 빠르게 증발하는 성분이 제거되어 순수한 Fe[s]와 Al₂O₃[s]로 진화한다.
• 먼지 형성으로 인한 최대 금속 농도 저하 정도는 약 6개 항목이며, 평형상태 모델이 예측한 것보다 훨씬 작다. 이는 평형 가정에 기반한 연령 추정치가 과대평가될 수 있음을 시사한다.
• Si-O 스트레칭(9.7 μm) 및 복합 모드(17–18 μm)에서 발생하는 중적외선 스펙트럼 특징은 약하며, 최대 투과도는 6% 미만이며, 산란보다 흡수에 의해 지배된다.
• 이 스펙트럼 특징은 주로 Mg₂SiO₄[s]와 MgSiO₃[s]가 지배하는 850–1300 K 층에서 형성되며, 이는 비정질 실리케이트의 특징과 유사하여 더 큰 입자가 기여하는 산란은 미미하다는 것을 시사한다.
• 비평형 먼지 형성으로 인해 고도가 높은 곳에서는 더 많은 Na I와 K I 원자가 기체상에 남아 있어, 스펙트럼의 적색 부분에서 더 깊고 넓은 금속 공명선이 관측된다.