[논문 리뷰] Equilibrium chemistry down to 100 K - Impact of silicates and phyllosilicates on carbon/oxygen ratio

P. Woitke, Ch. Helling외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 04.

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한 줄 요약

본 논문은 GGchem을 제시합니다. 이는 100 K까지의 열화학적 평형을 포함한 빠른 기체상 화학 평형 코드로, 기체상 화학 및 응결을 모두 고려하며, 규산염과 필로실리케이트 응결이 기체상의 C/O 비율과 먼지 형성 씨앗화에 어떤 영향을 미치는지 분석합니다(특히 텅스탠).

ABSTRACT

We introduce a fast and versatile computer code, GGchem, to determine the chemical composition of gases in thermo-chemical equilibrium down to 100 K, with or without equilibrium condensation. We review the data for molecular equilibrium constants, kp(T), from several sources and discuss which functional fits are most suitable for low temperatures. We benchmark our results against another chemical equilibrium code. We collect Gibbs free energies, dG(T), for about 200 solid and liquid species from the NIST-JANAF database and the geophysical database SUPCRTBL. We discuss the condensation sequence of the elements with solar abundances in phase equilibrium down to 100 K. Once the major magnesium silicates Mg2SiO4[s] and MgSiO3[s] have formed, the dust/gas mass ratio jumps to a value of about 0.0045 which is significantly lower than the often assumed value of 0.01. Silicate condensation is found to increase the carbon/oxygen ratio (C/O) in the gas from its solar value of ~0.55 up to ~0.71, and, by the additional intake of water and hydroxyl into the solid matrix, the formation of phyllosilicates at temperatures below ~400 K increases the gaseous C/O further to about 0.83. Metallic tungsten (W) is the first condensate found to become thermodynamically stable around 1600 - 2200 K (depending on pressure), several hundreds of Kelvin before subsequent materials like zirconium dioxide (ZrO2) or corundum (Al2O3) can condense. We briefly discuss whether tungsten, despite its low abundance of ~2.E-7 times the silicon abundance, could provide the first seed particles for astrophysical dust formation. The GGchem code is publicly available at https://github.com/pw31/GGchem.

연구 동기 및 목표

• 100 K까지의 열-화학적 평형에서 평형 응결 여부에 관계없이 기상 상의 존재량을 결정하기 위한 빠르고 다재다능한 코드(GGchem)를 개발하고 검증한다.
• 일관성과 저온 신뢰성을 위해 여러 소스(NIST-JANAF, SUPCRTBL, Barklem & Collet)의 분자 및 응결상 열화학 데이터를 검토하고 벤치마크한다.
• Mg-실리케이트를 포함한 응결 순서가 원소 예산과 기상 C/O 비율에 미치는 영향을 분석하고, 400 K 미만에서의 필로실리케이트의 역할을 포함한다.
• 첫 응결체(예: 텅스탠)와 그것이 천체 먼지 형성의 씨앗 입자로 작용할 가능성을 조사한다.
• GGchem 코드와 데이터를 커뮤니티에 공개한다.

제안 방법

• 응결 여부에 관계없이 Gibbs 자유에너지를 최소화하여 기상 상의 화학적 풍부도를 구한다.
• Gibbs 자유에너지 데이터를 사용하여 분자 형성에 대한 평형 상수 k_p(T)을 도출하고(ΔG_f°로부터), 온도 의존적 적합을 통해 Stock 등 형태를 선택한다.
• 포화비 S_j와 증기압 p_vap(T)에 의한 상평형을 도입하고, 응결에 의해 기상 상의 원소 abundances를 반복적으로 감소시킨다.
• 저온(100 K까지)에서 수치 안정성을 위해 평형 화학에 대한 중첩 호출과 4중 정밀도 산술을 이용한 뉴턴-랩슨 반복을 적용한다.
• 응결체의 ΔG_f°(T)에 대해 NIST-JANAF 및 SUPCRTBL 데이터를 활용하고, 저온 외삽을 가능하게 하기 위해 강건한 함수로 여러 데이터셋을 피팅한다.
• 갖춰진 업데이트된 데이터와 사전 반복(pre-iteration) 스킴을 포함한 공개 GGchem 구현(FORTRAN-90)을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평형 응결이 100 K까지의 온도에서 기상 원소 풍부도와 전반적인 화학 조성에 어떤 변화를 가져오는가?
• RQ2 태양계 조성에서 원소의 응결 순서는 무엇이며, 규산염 및 필로실리케이트 형성이 기상 C/O 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 먼저 형성되는 응결체는 무엇이며(Mg2SiO4, MgSiO3, 텅스탠 등), 어떤 조건에서 열역학적으로 안정해지는가?
• RQ4 낮은 풍부도에도 불구하고 텅스탠이 초기 먼지 형성의 씨앗 입자로 작용할 수 있는가?
• RQ5 100–6000 K에 걸친 분자 및 응결상 평형 예측에서 서로 다른 열화학 데이터 소스 간의 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 주요 마그네슘 실리케이트(Mg2SiO4 및 MgSiO3)의 응결이 먼지/가스 질량비를 약 0.0045로 점프시키는 계기를 만든다.
• 실리케이트 응결은 기상 C/O를 태양값 약 0.55에서 약 0.71로 올리고, 400 K 이하에서 필로실리케이트 형성은 C/O를 약 0.83까지 추가로 높일 수 있다.
• 텅스탠(W)은 1600–2200 K(압력 의존) 부근에서 가장 먼저 열역학적으로 안정한 응결체가 되며 ZrO2 및 Al2O3에 앞서 천체 먼지 형성의 씨앗이 될 수 있다.
• 4중 정밀도 및 개정된 사전 반복 전략을 갖춘 GGchem 코드는 100 K까지 정확한 결과를 제공하며 GGchem GitHub 리포지토리에 공개되어 있다.
• 여러 소스의 k_p(T) 데이터에 대한 종합적 비교는 일부 분자에서 주목할 만한 편차(약 10 kJ/mol까지)를 드러내며, 저온 외삽에 있어 데이터 선택과 적합 형태의 중요성을 강조한다.
• 응결 과정의 통합은 기상 풍부도와 스펙트럼 예측에 상당한 영향을 미치며, 차갑고 외계계 환경에서의 평형 응결 모델링의 필요성을 강조한다.