[論文レビュー] The smoothness of the interstellar extinction curve in the UV. Comparison with recent laboratory measurements of PAH mixtures

Mathias Steglich, Yvain Carpentier+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 14被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、実験室で合成された冷たい孤立状態の多環芳香族炭化水素（PAH）混合物が、分子多様性が高いために鋭い電子遷移帯を示さない滑らかな紫外可視吸収スペクトルを示すことを示している。星間空間の消光曲線に300–400 nmで鋭い特徴がないのは、個々のPAH種の分率が極めて低いため、スペクトルの指紋として検出されないためであり、217.5 nmの紫外バンプに寄与する総体的な貢献は依然として顕著である。

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.

研究の動機と目的

• 実験室で合成されたPAH混合物が、星間空間で観測される滑らかな紫外消光曲線を再現できるかどうかを調査すること。
• 星間消光曲線の300–400 nm範囲に鋭い電子吸収帯が観測されないのは、分子多様性によるものかどうかを特定すること。
• 個々のPAHが顕著な総量を占めながらも、分率が極めて低いことから、星間空間（ISM）で検出されない可能性があるかどうかを評価すること。
• マトリックス封入されたPAHスペクトルと薄膜堆積されたPAHスペクトルを比較し、分子凝集がスペクトル特徴に与える影響を理解すること。
• 強力な芳香族赤外線放射帯が観測される一方で、紫外線領域に個々のPAHスペクトル特徴が検出されないという矛盾を解消すること。

提案手法

• エチレン（C2H4）を赤外レーザー熱分解により、宇宙的条件下でPAH混合物を合成した。
• 分子成分はメタノールまたはジクロロメタンを用いて抽出し、サイズ別保持時間に基づく高速液体クロマトグラフィー（HPLC）で分離した。
• ネオンマトリックスを用い、低温（4–5.5 K）で孤立した冷たいPAH分子を研究するためのマトリックス封入法を採用した。
• 真空紫外分光計を用いて、190–400 nm範囲の電子遷移を分析するため、UV-可視吸収スペクトルを測定した。
• 冷たいCaF2基板にレーザー脱着と堆積法を用いてPAHの薄膜堆積膜を調製し、星間宇宙ダスト表面またはクラスター環境を模倣した。
• 分子の配置や分子間相互作用の影響を評価するために、マトリックス封入分子と薄膜堆積凝集体のスペクトル特徴を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験室で合成されたPAH混合物は、星間空間で観測される滑らかで特徴のない紫外消光曲線を再現できるか？
• RQ2 なぜ星間消光曲線の300–400 nm範囲に、大きな気相PAHからの鋭い電子吸収帯が検出されないのか？
• RQ3 PAH集団における分子多様性が、紫外線領域における検出可能なスペクトル指紋をどれほど抑制するのか？
• RQ4 孤立PAHのスペクトル的性質は、星間ダストに関連する凝集体または薄膜的配置と比べてどのように異なるのか？
• RQ5 個々のスペクトル特徴が存在しない状況でも、高分子多様性を持つPAH集団が217.5 nmの集団的紫外バンプを説明できるのか？

主な発見

• 分子多様性が高いPAH混合物は、鋭い電子遷移帯を示さない滑らかで特徴のない紫外可視吸収スペクトルを生成する。
• 星間消光曲線の300–400 nm範囲に鋭い吸収帯がないのは、星間PAH集団の高い多様性と整合的である。
• 星間空間（ISM）における個々のPAH種の分率は水素に対して10−10から10−8のオーダーであり、電子的指紋として検出されないほど低いため、検出困難である。
• マトリックス封入されたPAHは195 nmに広い吸収帯を示すが、薄膜堆積されたPAHは208 nmに赤方シフトした広いバンプを示し、分子パッケージングの影響が確認された。
• 星間空間に豊富に存在すると予想されるイオン化PAHは、中性PAHよりもさらに広い紫外帯を示し、検出可能な特徴の抑制がさらに顕著である。
• 星間空間における紫外線領域の消光曲線の滑らかさは、個々の分子的特徴ではなく、多様なPAH集団の集団的挙動に起因するという点で整合的である。