[论文解读] Better Alternative to "Astronomical Silicate": Laboratory-Based Optical Functions of Chondritic/Solar Abundance Glass With Application to HD161796

A. K. Speck, K. M. Pitman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 79被引用 11

一句话总结

本论文提供了不含铁的球粒陨石/太阳丰度玻璃及金属铁的实验室测量光学函数，波长范围为0.19–250 µm，作为对合成‘天文硅酸盐’模型的更准确替代。以HD 161796为案例，作者表明玻璃与铁的比例对远红外SED有关键影响，并提出在尘埃壳层外缘可能存在结晶硅酸盐形成——这一特征在以往的合成模型中被掩盖。

ABSTRACT

"Astronomical" or "circumstellar" silicate optical functions (real and imaginary indices of refraction n and k have been previously derived from compositionally and structurally disparate samples; past values were compiled from different sources in the literature, and are essentially kluges of observational, laboratory, and extrapolated or interpolated values. These synthetic optical functions were created because astronomers lack the quantitative data on amorphous silicates at all wavelengths needed for radiative transfer modeling. This paper provides optical functions that (1) are created with a consistent methodology, (2) use the same sample across all wavelengths, and (3) minimize interpolation and extrapolation wherever possible. We present electronic data tables of optical functions derived from mid-ultraviolet to far-infrared laboratory transmission spectra for two materials: iron-free glass with chondritic/solar atmospheric abundances, and metallic iron. We compare these optical functions to other popular n, k data used to model amorphous silicates (e.g., "astronomical" or "circumstellar" silicate), both directly and in application to a simple system: the dust shell of the post-AGB star HD161796. Using the new optical functions, we find that the far-IR profile of model SEDs are significantly affected by the ratio of glass to iron. Our case study on HD161796 shows that modeling with our new optical functions, the mineralogy is markedly different from that derived using synthetic optical functions and suggests a new scenario of crystalline silicate formation.

研究动机与目标

• 用单一样品在所有波长范围内测得的一致实验室数据，替代合成的‘天文硅酸盐’光学函数。
• 通过使用真实测量的光学常数（n(λ), k(λ)）而非插值或外推值，改进辐射转移建模。
• 研究成分——特别是玻璃与铁的比例——对原行星尘埃壳层中远红外发射率和SED形状的影响。
• 检验新光学函数是否能揭示合成模型无法检测到的矿物学特征，如结晶硅酸盐的形成。
• 为天体物理建模应用提供n(λ)和k(λ)的电子数据表。

提出的方法

• 使用单一不含铁、球粒陨石丰度的硅酸盐玻璃样品，获取从0.19 µm（紫外）到250 µm（远红外）的实验室透射光谱。
• 利用标准光学常数反演技术，从测得的透射光谱推导复折射率n(λ)和k(λ)。
• 单独测量金属铁，以用于辐射转移模型。
• 使用DUSTY辐射转移代码，基于新光学函数对HD 161796的SED进行建模。
• 将使用新实验室函数建模的SED与使用合成‘天文硅酸盐’函数的SED进行比较。
• 分析远红外发射率和β指数对玻璃与铁质量比变化的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与使用合成函数相比，使用实验室测量的光学函数如何影响HD 161796的SED建模结果？
• RQ2 玻璃与铁的质量比对远红外发射率和SED形状有何影响？
• RQ3 新光学函数是否能揭示在合成函数模型中被隐藏的矿物学特征（如结晶硅酸盐的形成）？
• RQ4 由于其人为构建方式，合成光学函数在多大程度上导致模型参数误导或非唯一？
• RQ5 新光学函数在多大程度上改善了对后AGB系统中尘埃成分与结构的约束？

主要发现

• 新光学函数基于单一实验室样品在0.19–250 µm范围内测得，消除了以往合成‘天文硅酸盐’模型中存在的插值与外推误差。
• 使用新函数对HD 161796建模表明，远红外SED对玻璃与铁的质量比极为敏感，即使少量铁也能显著提高消光系数。
• 玻璃与铁的精确比例强烈影响远红外波段的发射率定律和β指数，而这两者是尘埃成分与颗粒大小的关键诊断参数。
• 当使用合成光学函数时，SED斜率容易拟合，但这会导致错误或非唯一的参数估计，掩盖真实的成分约束。
• 新模型表明，在HD 161796的尘埃壳层外缘可能存在结晶硅酸盐的形成——这一特征在使用合成函数的模型中无法被探测到。
• 本研究提供了球粒陨石玻璃和金属铁的n(λ)与k(λ)电子数据表，可于http://galena.wustl.edu/~dustspec/idals.html获取。