[论文解读] Broadband spectroscopy of astrophysical ice analogs. I. Direct measurement of complex refractive index of CO ice using terahertz time-domain spectroscopy

B. M. Giuliano, Arsenii A. Gavdush+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2019

Terahertz technology and applications参考文献 33被引用 16

一句话总结

本研究首次利用时间域太赫兹光谱法，在28.5–33 K温度下直接测定了二氧化碳冰在太赫兹波段（0.3–2.0 THz）的复折射率。一种新型算法无需依赖克雷默斯-克罗尼格关系，直接重构了折射率的实部与虚部，为寒冷星际环境中尘埃连续谱辐射转移建模提供了基准数据。

ABSTRACT

Context: Reliable, directly measured optical properties of astrophysical ice analogs in the infrared (IR) and terahertz (THz) range are missing. These parameters are of great importance to model the dust continuum radiative transfer in dense and cold regions, here thick ice mantles are present, and are necessary for the interpretation of future observations planned in the far-IR region. Aims: Coherent THz radiation allows direct measurement of the complex dielectric function (refractive index) of astrophysically relevant ice species in the THz range. Methods: The time-domain waveforms and the frequency-domain spectra of reference samples of CO ice, deposited at a temperature of 28.5 K and annealed to 33 K at different thicknesses, have been recorded. A new algorithm is developed to reconstruct the real and imaginary parts of the refractive index from the time-domain THz data. Results: The complex refractive index in the wavelength range of 1 mm - 150 $μ$m (0.3 - 2.0 THz) has been determined for the studied ice samples, and compared with available data found in the literature. Conclusions: The developed algorithm of reconstructing the real and imaginary parts of the refractive index from the time-domain THz data enables, for the first time, the determination of optical properties of astrophysical ice analogs without using the Kramers-Kronig relations. The obtained data provide a benchmark to interpret the observational data from current ground based facilities as well as future space telescope missions, and have been used to estimate the opacities of the dust grains in presence of CO ice mantles.

研究动机与目标

• 测量天体物理相关的二氧化碳冰在太赫兹波段的复折射率，该波段的直接实验数据极为稀缺。
• 通过开发一种从时间域太赫兹数据中直接重构折射率的新算法，克服间接方法的局限性。
• 为寒冷、致密的星际区域中具有厚冰幔的尘埃连续谱发射建模提供基准光学常数。
• 通过使用测得的介电函数重现既有的消光模型（如Ossenkopf & Henning 1994），验证新方法的准确性。
• 通过提供可靠、实验测定的冰模拟物介电特性，实现对未来远红外观测的精确解读。

提出的方法

• 在28.5 K下沉积二氧化碳冰样品，并逐步退火至33 K，测量其在不同厚度下的时间域太赫兹波形。
• 开发了一种新算法，可直接从时间域数据中提取折射率的实部与虚部，避免依赖克雷默斯-克罗尼格关系。
• 利用标准电磁关系，从测得的折射率重构了冰的复介电函数ε′ − iε″。
• 前体组分（硅酸盐和非晶碳）的介电函数取自Ossenkopf et al. (1992) 和 Preibisch et al. (1993)，冰相假设为10 K下H₂O:CH₃OH:CO:NH₃ = 100:10:1:1的混合物。
• 通过λ⁻¹依赖关系将介电函数的虚部外推至194 μm以上，实部通过离散克雷默斯-克罗尼格积分计算，并采用柯西主值处理方法。
• 采用有效介质近似（布吕盖曼模型）将非晶碳引入冰中，体积分数分别为0.11（薄冰）和0.013（厚冰）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用时间域光谱法直接测量二氧化碳冰在太赫兹波段的复折射率？
• RQ2 所提出的从时间域数据中重构折射率的算法是否可在天体物理冰模型中消除对克雷默斯-克罗尼格关系的依赖？
• RQ3 测得的二氧化碳冰介电函数与文献数据及理论外推结果相比如何？
• RQ4 测得的光学特性在远红外波段在多大程度上能重现既有的尘埃消光模型（如Ossenkopf & Henning 1994）？
• RQ5 冰幔厚度与成分对星际尘埃颗粒中吸收效率和总消光截面的影响如何？

主要发现

• 首次通过直接太赫兹时间域光谱法，在0.3–2.0 THz范围（1 mm至150 μm）成功测定了二氧化碳冰的复折射率。
• 新开发的重构算法可直接确定折射率的实部与虚部，无需依赖克雷默斯-克罗尼格变换。
• 利用测得的介电函数成功重现了Ossenkopf & Henning (1994) 的消光曲线，验证了方法的准确性。
• 通过λ⁻¹依赖关系外推ε″至波长>194 μm，为计算介电函数实部提供了稳定基础。
• 采用体积分数为0.11（薄冰）和0.013（厚冰）的布吕盖曼有效介质近似，成功将碳质包体引入冰模型。
• 总消光截面通过硅酸盐与非晶碳贡献的质量加权平均计算，质量比M_AC/M_Si = 0.4758，与Ossenkopf & Henning (1994) 一致。