[논문 리뷰] The essential elements of dust evolution: A viable solution to the interstellar oxygen depletion problem?

A. P. Jones, N. Ysrad|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 04.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 102인용 수 5

한 줄 요약

논문은 밀도 높은 성간 구름에서의 성간 산소 부족 현상이 비정질 탄소성 먼지 내에서 숨겨진 유기 탄산염 상(–O–C(=O)–O–)의 형성으로 설명될 수 있다고 제안한다. 이 상은 탄소의 10–20%를 고착시키며, 기체상에서 설명되지 않는 산소 170–255 ppm을 차지한다. 이 상은 시각적 투과도 ~1에서 알리파틱이 풍부한 a-C:H 막대가 침착되는 동안 형성되며, 광분해에 의한 분해가 성간 환경에서 CO₂ 형성과 관련이 있을 수 있다.

ABSTRACT

There remain many open questions relating to the depletion of elements into dust, e.g., exactly how are C and O incorporated into dust in dense clouds and, in particular, what drives the disappearance of oxygen in the denser interstellar medium? This work is, in part, an attempt to explain the apparently anomalous incorporation of O atoms into dust in dense clouds. We re-visit the question of the depletion of the elements incorporated into the carbonaceous component of interstellar dust, i.e., C, H, O, N and S, in the light of recent analyses of the organics in comets, meteorites and interplanetary dust particles. We find that oxygen could be combined with ~ 10 to 20 % of the carbon in the dust in dense regions in the form of a difficult to observe, organic carbonate, which could explain the unaccounted for 170-255 ppm oxygen depletion. We conclude that, while C, O and N atoms are depleted into an amorphous a-C:H:O:N phase, we posit that a significant fraction of C and O atoms could be sequestered into an organic carbonate, which provides a viable solution to the oxygen depletion problem. Further, the thermal or photolytic decomposition of this carbonate may have a bearing on the formation of CO_2 in the ISM.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 성간 구름에서 기체상 농도 측정치에 비해 약 1/3에서 1/2 정도의 은하 산소가 부족한 장기적인 문제를 해결하기 위해.
• 탄소성 먼지 내 산소의 화학적 종류를 조사하여, 이전에 인식되지 않은 안정된 유기 탄산염 상에 결합되어 있는지 여부를 밝히기 위해.
• 이러한 상이 성간 얼음에서 CO₂ 형성과 혜성 물질의 관측된 유기 조성에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 성간 '얼음' 흡수 특징이 분자 종에만 기인하는 것으로 보는 가정에 도전하여, 고분자 유기 먼지 성분의 기여를 제안하기 위해.
• 미래의 관측 및 실험적 검증을 위한 검증 가능한 가설을 제공하기 위해.

제안 방법

• 최근 혜성, 우주선 및 간행물 먼지 입자(IDPs)의 데이터를 바탕으로 성간 먼지의 원소 빈도 감소 패tern을 재평가하기 위해.
• 확산성 은하에서 밀도 높은 은하로의 전이 시점인 시각적 투과도 A_V ~1에서 비정질 a-C:H:O:N 먼지 상의 형성 모델링을 통해 내재된 유기 탄산염(–O–C(=O)–O–)을 고려하기 위해.
• O/C 및 O/N 비율에 대한 이론적 및 관측적 제약 조건을 활용하여 제안된 탄산염 상의 화학적 안정성과 농도를 추론하기 위해.
• 흡수 특징이 명백히 드러나지 않는 투명하거나 분자성 구름에서 유기 탄산염을 탐지하기 위해 X선 K-엣지 흡수 스펙트로스코피(E > 0.2 keV)를 탐지 방법으로 제안하기 위해.
• 열적 및 자외선 광분해에 의한 유기 탄산염의 분해를 시뮬레이션하여 CO₂ 방출 및 혜성 유사 유기물 형성에서의 역할 평가하기 위해.
• 관측된 먼지 특성과 원소 빈도 감소와의 일관성을 평가하기 위해, 이 가설을 THEMIS 먼지 진화 모델에 통합하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 높은 성간 구름에서 설명되지 않는 약 170–255 ppm의 산소 부족 현상을 설명할 수 있는 성간 먼지 내 화학적 상은 무엇인가요?
• RQ2 유기 탄산염(–O–C(=O)–O–) 상의 형성이 탄소 과다 빈도 감소 없이 성간 먼지 내 관측된 O/C 및 O/N 비율을 설명할 수 있는가요?
• RQ3 이러한 탄산염 상의 광분해 분해가 성간 얼음 내에서 관측된 CO₂ 농도에 기여하는 방식은 무엇인가요?
• RQ4 현재 성간 '얼음' 흡수 특징에 대한 해석이 고분자 유기 먼지 성분의 기여를 얼마나 과소평가하고 있나요?
• RQ5 유기 탄산염의 존재 여부를 확실히 탐지하거나 배제하기 위한 관측 및 실험 전략은 무엇이 있나요?

주요 결과

• 기체상 농도 측정치에서 설명되지 않는 상당량의 성간 산소—170–255 ppm—은 숨겨진 산소가 풍부한 고체 상에 포함되어 있음을 시사한다.
• 제안된 유기 탄산염 상(–O–C(=O)–O–)은 밀도 높은 영역에서 탄소의 최대 10–20%를 결합할 수 있으며, O/C 비율을 최대 3:1로 높이고 탄소 빈도 감소를 최소화한다.
• 이 상의 형성은 먼지 진화 모델과 일치하며, 시각적 투과도 A_V ~1에서 알리파틱이 풍부한 a-C:H 막대가 침착되는 동안 발생한다.
• 유기 탄산염의 광분해 분해는 성간 얼음 내에서 관측된 CO₂ 농도를 설명할 수 있으며, 장기적인 형성 문제에 대한 해결책을 제공한다.
• 탄산염 상의 분해 생성물은 로제타 탐사미션의 ROSINA 및 COSAC가 혜성 대기에서 검출한 복잡한 유기 분자들과 유사하여 태양계 화학과의 관련성을 뒷받침한다.
• E > 0.2 keV 범위의 X선 K-엣지 스펙트로스코피는 기술적으로 도전적이지만, 특히 얼음 막대가 거의 없는 관측선에서 유기 탄산염 특징을 탐지할 수 있는 유망한 방법을 제공한다.