[论文解读] Variations on a theme - the evolution of hydrocarbon solids: II. Optical property modelling - the optEC(s) model

A. P. Jones|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2015

High-pressure geophysics and materials参考文献 48被引用 66

一句话总结

本文提出了optEC(s)模型，这是一种基于物理的框架，通过将材料的带隙（E_g）作为函数，预测从极端紫外到毫米波段的星际氢化非晶碳（a-C:H）尘埃的光学特性。该模型利用柯朗-克朗尼格关系连续确定n和k，并为14个E_g值提供了光学常数表格，为解释星际介质（ISM）和太阳系中尘埃演化提供了一种可测试、可调节的工具。

ABSTRACT

Context. The properties of hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) dust are known to evolve in response to the local conditions. Aims. We present an adaptable model for the determination of the optical properties of low-temperature, interstellar a-C:H grains that is based on the fundamental physics of their composition. Methods. The imaginary part of the refractive index, k, for a-C:H materials, from 50 eV to cm wavelengths, is derived and the real part, n, of the refractive index is then calculated using the Kramers-Kronig relations. Results. The formulated optEC(s) model allows a determination of the complex dielectric function, epsilon, and refractive index, m(n, k), for a-C:H materials as a continuous function the band gap, Eg , which is shown to lie in the range = -0.1 to 2.7 eV. We provide expressions that enable a determination of their optical constants and tabulate m(n, k, Eg ) for 14 different values of Eg . We explore the evolution of the likely extinction and emission behaviours of a-C:H grains and estimate the relevant transformation time-scales. Conclusions. With the optEC(s) model we are able to predict how the optical properties of an a-C:H dust component in the interstellar medium will evolve in response to, principally, the local interstellar radiation field. The evolution of a-C:H materials appears to be consistent with many dust extinction, absorption, scattering and emission properties, and also with H2 molecule, daughter PAH and hydrocarbon molecule formation resulting from its photo-driven decomposition.

研究动机与目标

• 开发一种可预测的、基于物理的模型，用于低 温星际a-C:H尘埃的光学特性，这些特性在现有实验室数据中约束不足。
• 解决从极端紫外到毫米波段，非晶碳材料缺乏一致且连续的光学常数数据的问题。
• 通过将光学特性与带隙（E_g）这一基本参数关联，实现对星际介质中尘埃演化的研究。
• 提供一种可测试、可修改的框架，未来可随新实验室数据的出现而进一步优化。
• 探讨a-C:H演化对星际消光、发射以及H2、多环芳烃（PAHs）和小分子烃形成的影响。

提出的方法

• 从基本物理原理出发，推导从50 eV到厘米波长范围内的折射率虚部k。
• 利用柯朗-克朗尼格关系，从k计算折射率实部n。
• 将复介电函数ε和折射率m(n,k)建模为带隙E_g的连续函数，范围从~−0.1 eV到2.7 eV。
• 为14个离散的E_g值提供m(n,k,E_g)的表格值，以支持天体物理建模。
• 将模型构建成一个灵活、可适应的平台，未来可随实验室测量结果更新。
• 利用该模型预测不同天体物理环境中a-C:H颗粒的光化学与热演化时间尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当局部星际辐射场发生变化时，星际a-C:H尘埃的光学特性如何演化？
• RQ2 带隙E_g在决定非晶碳尘埃的消光、散射和发射行为中起什么作用？
• RQ3 optEC(s)模型能否定量解释观测到的星际消光曲线和FIR-mm发射的差异？
• RQ4 H富集的a-C:H颗粒在稀疏和致密星际区域中脱氢和芳构化的时间尺度是多少？
• RQ5 a-C:H尘埃的演化如何促进H2分子、PAHs和游离烃分子的形成？

主要发现

• optEC(s)模型在从极端紫外到毫米波段的全波段范围内，提供了a-C:H材料的复折射率m(n,k)的连续、基于物理的确定结果。
• 该模型覆盖了约−0.1 eV至2.7 eV的带隙范围，并为14个离散的E_g值提供了光学常数表格。
• 模型预测，随着E_g降低，尘埃发射指数β先出现瞬态陡化（从~2.0，H富集）至1.8–3.1（中间E_g），随后趋于平缓至β ≈ 1.4–1.8（H贫乏、芳香族富集）。
• 模型表明，在光致离解区（PDRs）中，nm尺寸的a-C:H颗粒可在约100年内芳构化，而在稀疏ISM中则需约10^6年。
• 模型预测H富集的a-C:H颗粒在中红外波段具有增强的散射，为分子云中“核心辉光”现象提供了另一种解释。
• 该模型与观测到的星际消光、发射以及太阳系中有机物质演化的趋势一致，并预测带隙减小与红外谱带强度降低相关。