[논문 리뷰] The smoothness of the interstellar extinction curve in the UV. Comparison with recent laboratory measurements of PAH mixtures

Mathias Steglich, Yvain Carpentier외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 09.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 14인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 높은 분자 다양성이 있는 경우 랩소드에서 합성된 냉각된 고립 상태의 다환방향탄화합물(PAHs) 혼합물이 날카러운 전자 밴드 없이 매끄럽고 부드러운 UV-가시광선 흡수 스펙트럼을 나타냄을 보여준다. 300–400 nm 범위에서 간성성 우주 먼지 흡수곡선에 좁은 특징이 없는 것은 개별 PAH 종류의 분획 농도가 매우 낮아, 전체적으로는 기여하고 있음에도 불구하고 스펙트럼 지문을 통한 탐지가 불가능하기 때문이며, 이는 217.5 nm에서 관측되는 UV 볼록부의 기여를 설명한다.

ABSTRACT

Context. As revealed by high-resolution spectral investigations in the wavelength range between 300 and 400 nm, the interstellar extinction curve does not display any of the sharp electronic absorption bands that are characteristic for large polyatomic molecules, such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), which belong to the most abundant interstellar molecules. Aims. We aim to verify whether the absorption curves of mixtures of medium-sized PAHs produced in the laboratory can explain the astronomical observations. Methods. The PAH mixtures were synthesized by infrared laser pyrolysis and subsequent chemical extraction and size separation. The matrix isolation technique was used to study the absorption spectra of isolated molecules at low temperature. Results. Our experimental results demonstrate that the UV-visible absorption curves of PAH mixtures can be very smooth, displaying no sharp bands, if the molecular diversity is sufficiently high. Conclusions. In view of the absence of sharp electronic features on the interstellar extinction curve for 300 < λ < 400 nm, we conclude from our experimental findings that the interstellar PAH population must be very diverse. The low fractional abundances of individual species prevent their detection on the basis of spectral fingerprints in the UV.

연구 동기 및 목표

• 랩소드에서 합성된 PAH 혼합물이 간성성우주에서 관측된 매끄러운 UV 흡수곡선을 재현할 수 있는지 조사하기 위해.
• 간성성우주 먼지 흡수곡선의 300–400 nm 범위에서 날카로운 전자 흡수 밴드가 없는 이유가 분자 다양성에 의해 설명될 수 있는지 확인하기 위해.
• 전체적으로는 상당한 양이 존재하더라도 개별 PAH 종류가 낮은 분획 농도를 가지기 때문에, ISM에서 탐지되지 않을 수 있는지 평가하기 위해.
• 매트릭스 고립된 PAH 스펙트럼과 필름 증착된 PAH 스펙트럼을 비교하여 분자 집합체 형성의 영향을 이해하기 위해.
• 강한 고리형 적외선 방출 밴드가 존재하는 데도 불구하고 UV 범위에서 개별 PAH 스펙트럼 지문이 탐지되지 않는 이유를 설명하기 위해.

제안 방법

• 에틸렌(C2H4)을 레이저 열분해를 통해 천체물리학적으로 유사한 조건에서 PAH 혼합물을 합성하였다.
• 메탄올 또는 디클로로메탄을 사용하여 분자 성분을 추출하고, 크기 기반의 정류 시간을 이용한 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)로 분리하였다.
• 네온 매트릭스를 사용하여 저온(4–5.5 K)에서 고립된 냉각된 PAH 분자를 연구하기 위해 매트릭스 고립 기법을 적용하였다.
• 진공 가시광선 스펙트럼계를 사용하여 190–400 nm 범위에서 전자 전이를 분석하기 위해 UV-가시광선 흡수 스펙트럼을 측정하였다.
• 차가운 CaF2 기판에 레이저 제거 및 증착을 통해 PAH 필름 증착물을 제작하여 간성성우주 먼지 표면 또는 클러스터 환경을 시뮬레이션하였다.
• 매트릭스 고립된 분자와 필름 증착된 집합체 간의 스펙트럼 특징을 비교하여 분자 배열 및 분자 간 상호작용의 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 랩소드에서 합성된 PAH 혼합물이 간성성우주에서 관측된 매끄럽고 특징이 없는 UV 흡수곡선을 재현할 수 있는가?
• RQ2 왜 간성성우주 먼지 흡수곡선의 300–400 nm 범위에서 큰 기체상 PAH의 날카로운 전자 흡수 밴드가 탐지되지 않는가?
• RQ3 PAH 집단 내 분자 다양성이 UV 범위에서 탐지 가능한 스펙트럼 지문을 얼마나 억제하는가?
• RQ4 고립된 PAH의 스펙트럼 특성과 간성성우주 먼지에 관련된 집합체 또는 필름 형태의 구성에서의 특성은 어떻게 다른가?
• RQ5 개별 스펙트럼 지문이 없는 상태에서, 높은 분자 다양성을 가진 PAH 집단이 217.5 nm에서 관측되는 총합 UV 볼록부를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 높은 분자 다양성을 가진 PAH 혼합물은 날카로운 전자 밴드 없이 매끄럽고 특징이 없는 UV-가시광선 흡수 스펙트럼을 생성한다.
• 간성성우주 먼지 흡수곡선의 300–400 nm 범위에서 좁은 흡수 밴드가 없는 것은 매우 다양한 간성성우주 PAH 집단과 일치한다.
• ISM 내 개별 PAH 종류의 분획 농도는 수소에 비해 약 10−10에서 10−8 수준이며, 이는 전자 지문을 통한 탐지에 너무 낮다.
• 매트릭스 고립된 PAH는 195 nm에서 넓은 흡수 밴드를 보이며, 필름 증착된 PAH는 208 nm에서 붉은 이동이 일어난 넓은 볼록부를 나타내어 분자 배열의 영향을 보여준다.
• ISM에서 풍부할 것으로 예상되는 이온화된 PAH는 중성 PAH보다 더 넓은 UV 밴드를 보이며, 이는 탐지 가능한 특징을 더욱 억제한다.
• 관측된 간성성우주 흡수곡선의 UV 범위에서의 매끄러움은 개별 분자 서명이 아니라 다양한 PAH 집단의 집합적 행동과 일치한다.