[论文解读] Mantle formation, coagulation and the origin of cloud/core shine: I. Modelling dust scattering and absorption in the infra-red

A. P. Jones, M. Koehler+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 45被引用 24

一句话总结

本文提出，云shine与核心shine——在致密分子云中观测到的近红外（J、H、K）及斯皮兹勒IRAC（3.6、4.5 μm）发射特征——源于富脂肪族的非晶氢化碳（a-C:H）包膜形成与低水平颗粒聚结所引发的尘埃演化。这些过程降低了尘埃的吸收截面，同时保持散射能力，从而提高反照率，解释了增强的散射现象，而无需假定存在大颗粒，挑战了基于光度数据对尘埃质量和尺寸的传统解释。

ABSTRACT

Context. The observed cloudshine and coreshine (C-shine) have been explained in terms of grain growth leading to enhanced scatter- ing from clouds in the J, H and K photometric bands and the Spitzer IRAC 3.6 and 4.5 μm bands. Aims. Using our global dust modelling approach THEMIS (The Heterogeneous dust Evolution Model at the IaS) we explore the effects of dust evolution in dense clouds, through aliphatic-rich carbonaceous mantle formation and grain-grain coagulation. Methods. We model the effects of wide band gap a-C:H mantle formation and the low-level aggregation of diffuse interstellar medium dust in the moderately-extinguished outer regions of molecular clouds. Results. The formation of wide band gap a-C:H mantles on amorphous silicate and amorphous carbon (a-C) grains leads to a decrease in their absorption cross-sections but no change in their scattering cross-sections at near-IR wavelengths, resulting in higher albedos. Conclusions. The evolution of dust, with increasing density and extinction in the diffuse to dense molecular cloud transition, through mantle formation and grain aggregation, appears to be a likely explanation for the observed C-shine.

研究动机与目标

• 解释云shine与核心shine的起源，即在致密分子云中观测到的近红外与中红外发射增强现象。
• 研究从稀疏到致密星际介质转变过程中尘埃演化如何改变其光学性质，特别是散射与吸收特性。
• 评估基于J、H、K及IRAC光度数据推导尘埃质量、尺寸与视觉消光（A_V）的可靠性。
• 评估富脂肪族的a-C:H包膜与早期阶段聚结在改变尘埃反照率与消光截面中的作用。
• 挑战基于光度数据推导尘埃性质的传统假设，尤其是在半透明云与致密云中的应用。

提出的方法

• 利用THEMIS尘埃演化模型模拟从稀疏到致密星际介质的尘埃演化过程。
• 应用来自optEC(s)数据集的、与成分和尺寸相关的a-C:H材料在近红外与中红外波段的光学性质。
• 在非晶硅酸盐与a-C颗粒上模拟宽带隙a-C:H包膜的形成，改变其复折射率（m = n + ik）。
• 在中等消光的外层云区模拟低水平颗粒间聚结，追踪散射与吸收截面的变化。
• 分析0.5–8 μm波段内消光与反照率的变化，重点关注J、H、K及IRAC 3.6/4.5 μm波段。
• 将结果与消光曲线及C-shine观测趋势进行比较，特别针对HD 207198与英仙座区域的数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 富脂肪族a-C:H包膜的形成如何影响近红外波段尘埃的散射与吸收？
• RQ2 早期阶段颗粒聚结与包膜生长在多大程度上改变了尘埃反照率与消光截面？
• RQ3 为何J、H与K波段观测显示增强散射（C-shine），尽管尘埃质量或尺寸并无显著增加？
• RQ4 观测到的C-shine是否可由光学性质变化而非大颗粒的存在来解释？
• RQ5 基于J、H与K波段光度数据在半透明云与致密云中推导出的A_V、尘埃质量与颗粒尺寸估计是否可靠？

主要发现

• 富脂肪族a-C:H包膜的形成使尘埃在1–8 μm波段的吸收截面降低最多达50%，而散射截面基本保持不变。
• 包膜形成与轻微聚结的共同作用提高了J、H与K波段的尘埃反照率，解释了无需大颗粒即可出现增强散射（C-shine）的现象。
• a-C:H的复折射率（n ≈ 2.0–2.5，k ≈ 0.1–0.3）导致红外吸收微弱但散射强烈，产生反直觉行为：消光降低但反照率升高。
• 随着a-C:H包膜厚度增加，尘埃消光截面减小，尤其在1–5 μm波段，这是由于k值降低所致。
• J、H与K波段的光度数据表现出与FIR及B/V波段趋势的脱耦，表明在半透明云中，仅基于这些波段推导的A_V可能不可靠。
• 该模型表明，稀疏ISM中碳的消耗（约200 ppm）仍留下足够的气相碳（约155 ppm）用于包膜形成，与致密云外缘观测到的消光曲线一致。