[论文解读] Interstellar Dust Models and Evolutionary Implications

B. T. Draine|ArXiv.org|Mar 9, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 3被引用 63

一句话总结

本文提出了一种由非晶态硅酸盐和含碳颗粒（包括多环芳烃PAHs）组成的尘埃模型，能够重现星际消光、偏振及红外发射。该模型表明，银河系及类似J1148+5251的高红移星系中，大部分星际尘埃通过ISM内的原位颗粒生长形成，而非源自恒星源，且紫外辐射在维持硅酸盐与含碳颗粒群体分离方面起着关键作用。

ABSTRACT

The wavelength dependences of interstellar extinction and polarization, supplemented by observed elemental abundances and the spectrum of infrared emission from dust heated by starlight, strongly constrain dust models. One dust model that appears to be consistent with observations is presented. To reproduce the observed extinction, the model consumes the bulk of interstellar Mg, Si, and Fe (in amorphous silicates), and a substantial fraction of C (in carbonaceous material), with size distributions and alignment adjusted to match observations. The composition, structure, and size distribution of interstellar grains is the result of injection of dust from stellar outflows into the interstellar medium (ISM), followed by destruction, growth, coagulation, and photoprocessing of interstellar grains. The balance among these poorly-understood processes is responsible for the mix of solid material present in the ISM. Most interstellar grain material present in the diffuse ISM must be grown in the ISM. The amorphous silicate and carbonaceous materials that form the bulk of interstellar dust must therefore be the result of grain growth in the presence of ultraviolet radiation. Dust in high-z systems such as J1148+5251 is also produced primarily in the ISM, with supernova-produced dust contributing only a small fraction of the total dust mass.

研究动机与目标

• 将观测到的星际消光、偏振及红外发射约束与一个物理解释一致的尘埃模型相协调。
• 确定星际尘埃的起源与演化路径，特别是其是否形成于恒星外流或ISM中。
• 评估颗粒生长、聚集及光致处理在塑造星际尘埃组成与粒径分布中的作用。
• 评估超新星与ISM过程对高红移星系（如J1148+5251）中尘埃质量的贡献。
• 检验PAHs与非晶态碳是否能解释观测到的光谱特征及碳、镁、硅、铁和氘等元素的耗竭。

提出的方法

• 利用平均消光曲线（2–20 µm）的观测约束，包括2175 Å的凸起、10 µm的硅酸盐特征以及3.4 µm的C-H伸缩振动。
• 将尘埃建模为非晶态硅酸盐球体与含碳颗粒（包括PAHs与非晶态碳）的混合物，通过调整粒径分布以匹配消光与偏振观测。
• 应用Mie理论计算球形颗粒的波长依赖性消光与偏振，以模拟散射与吸收。
• 将3.3、6.2、7.7、8.6、11.3和12.0 µm处的红外发射特征作为PAHs被单个光子激发的标志。
• 通过平衡恒星外流注入、激波破坏、聚集与ISM中生长等过程，评估颗粒演化。
• 利用元素丰度与气相耗竭数据（如Si+、Ca+、Ti+、D）约束尘埃颗粒的表面积与组成。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种成分与粒径分布的星际尘埃可重现观测到的波长依赖性消光与偏振？
• RQ2 星际尘埃在ISM中通过颗粒生长形成的比例有多大，而非源自恒星源？
• RQ3 紫外辐射场如何影响硅酸盐与含碳尘埃群体的分离与演化？
• RQ4 在类似J1148+5251的高红移星系中，有多少比例的尘埃起源于超新星而非原位ISM生长？
• RQ5 PAHs与非晶态碳是否能解释观测到的红外发射特征及碳与氘等关键元素的耗竭？

主要发现

• 包含非晶态硅酸盐与含碳颗粒（包括PAHs）的模型成功重现了观测到的消光曲线，包括2175 Å凸起与10 µm硅酸盐特征。
• 当将硅酸盐与含碳颗粒建模为非球形（非球形）颗粒而非球形颗粒时，星星光偏振可被良好重现。
• 该模型的红外发射光谱与高银纬银河系区域的观测结果一致，其预测的波长依赖性偏振可由Planck任务检验。
• 银河系中超过90%的星际尘埃质量通过ISM内原位颗粒生长形成，而非源自恒星源；仅有约10%为来自AGB恒星与超新星的“星尘”。
• 在类似J1148+5251的高红移系统中，尘埃质量主要由ISM生长物质主导，超新星仅贡献极小部分总尘埃质量。
• 紫外辐射在通过驱动光致激发与光致脱附，防止生长过程中完全混合，从而在维持硅酸盐与含碳颗粒群体分离方面起着关键作用。