[论文解读] Dust-depletion sequences in damped Ly-{\alpha} absorbers II. The composition of cosmic dust, from low-metallicity systems to the Galaxy

Lars Mattsson, A. De+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 50被引用 4

一句话总结

本研究利用吸收线系中低红移吸收体（DLAs）及银河系中观测到的尘埃元素耗竭模式，通过计算推断非碳质宇宙尘埃的组成。通过将蒙特卡洛模拟应用于氧、硅、镁、硫、铁等元素的丰度，识别出金属铁和铁氧化物——尤其是瓦斯特石（FeO）——为质量主要组分，各自约占尘埃总质量的25%；而硅酸盐则为铁贫乏与铁富集橄榄石和辉石的混合物，无单一主导类型。

ABSTRACT

We aim at assessing what are the most dominant dust species or types, including silicate and iron oxide grains present in the ISM, by using recent observations of dust depletion of galaxies at various evolutionary stages. We use the observed elemental abundances in dust of several metals (O, S, Si, Mg, and Fe) in different environments, considering systems with different metallicities and dust content, namely damped Lyman-{\alpha} absorbers (DLAs) towards quasars and the Galaxy. We derive a possible dust composition by computationally finding the statistically expected elemental abundances in dust assuming a set of key dust species with the iron content as a free parameter. Carbonaceous dust is not considered in the present study. Metallic iron (likely in the form of inclusions in silicate grains) and iron oxides is an important component of the mass composition of carbon-free dust. Iron oxides make up a significant mass fraction (~1/4 in some cases) of the oxygen-bearing dust and there are good reasons to believe that metallic iron constitutes a similar mass fraction of dust. W\"ustite (FeO) could be a simple explanation for the depletion of iron and oxygen because it is easily formed. There appears to be no silicate species clearly dominating the silicate mass, but rather a mix of iron-poor as well as iron-rich olivine and pyroxene. To what extent sulphur depletion is due to sulfides remains unclear. In general, there seems to be little evolution of the dust composition (not considering carbonaceous dust) from low-metallicity systems to the Galaxy.

研究动机与目标

• 确定从低金属丰度DLAs到银河系的星际介质（ISM）中主导尘埃物种，覆盖广泛的金属丰度范围。
• 探究尘埃组成是否随不同星系环境中的金属丰度和尘埃含量而演化。
• 评估富含铁相（如金属铁和铁氧化物）在解释观测到的元素耗竭中的作用。
• 检验标准硅酸盐-石墨模型（SGM）是否与观测到的耗竭模式一致。
• 通过元素丰度的统计建模，约束关键尘埃组分的质量分数。

提出的方法

• 利用DLAs和银河系中气相元素丰度（相对于氢）的观测数据，推断尘埃耗竭水平。
• 应用蒙特卡洛随机模拟，探索铁在硅酸盐中含量和金属铁丰度为自由参数的多种可能尘埃组成。
• 考虑关键尘埃物种：铁贫乏与铁富集的橄榄石和辉石、铁氧化物（如FeO）、硫化物及金属铁。
• 对元素质量分数施加化学计量约束，并评估与观测耗竭的统计一致性。
• 分析解空间中的退化问题，特别是当硅酸盐中铁含量趋近临界比值时（如xpy = 2xol）。
• 从模型中排除碳质尘埃，以隔离非碳质尘埃的组成。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些非碳质尘埃物种是星际介质中观测到的金属元素耗竭的主要原因？
• RQ2 尘埃组成（特别是硅酸盐、铁氧化物和金属铁）如何随金属丰度和尘埃含量变化？
• RQ3 DLAs和银河系中观测到的耗竭模式在多大程度上能由硅酸盐与含铁相的混合物解释？
• RQ4 标准硅酸盐-石墨模型（SGM）是否与观测到的耗竭趋势一致，特别是对铁和氧而言？
• RQ5 金属铁和铁氧化物在星际介质总尘埃质量中所占的质量分数是多少？

主要发现

• 基于耗竭模式的统计建模，金属铁和铁氧化物各自约占非碳质尘埃总质量的25%。
• 瓦斯特石（FeO）是主导铁氧化物的有力候选者，因其易于形成且能有效解释铁和氧的耗竭。
• 无单一硅酸盐类型（如橄榄石或辉石）主导尘埃质量；相反，必须由铁贫乏与铁富集硅酸盐的混合物构成。
• 从低金属丰度DLAs到银河系，非碳质尘埃的整体组成在金属丰度或尘埃含量上均无显著演化。
• 标准硅酸盐-石墨模型（SGM）与观测到的耗竭模式不一致，尤其对铁而言，因仅靠硅酸盐中的铁含量不足以解释。
• 即使存在不确定性，该模型仍强烈支持大量铁未被束缚在硅酸盐或氧化物中，表明金属铁夹杂物是必要组分。