Пыль в областях образования звезд и планет

Н.В. Вощинников

Астрономический институт им. В.В. Соболева, СПбГУ

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 2

План1. Введение2. Из чего состоят пылинки?3. Модель композитных пористых пылинок4. Межзвездное поглощение5. Силикатная полоса в спектрах молодых звезд6. Некоторые выводы и что дальше

Результаты:Voshchinnikov, Il’in, Henning, Astron. Astrophys., 429, 371, 2005;Voshchinnikov, Il’in, Henning,… Astron. Astrophys., 445, 167, 2006;Schegerer, Wolf, Voshchinnikov,… Astron. Astrophys., 2006 (astro-ph/0604059).

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 3

Пыль есть везде!

метеориты,

кометы,

…………..

межзвездные облака,

…………..

галактики,

квазары

(почти везде)presolar SiC grains from

Murchison meteorite

NGC3998 – AGN (z=0.0035)

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 4

Какие характеристики пылинок наиболее важны?

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 5

Какие характеристики пылинок наиболее важны?

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 6

Какая пыль существует?

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 7

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 8

Что наблюдают?

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 9

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 10

Reference abundances («от чего все танцуют»)

Межзвездные пылинки состоят из пяти самых «важных» элементов:

C, O – primaryMg, Si, Fe – major

-----------------------------------------------------------Na, Al, Ca, Ni – minor (less than 3 ppm)K, Ti, Cr, Mn, Co – traces (less than 0.3 ppm)

Единицы измерения: ppm – parts per million N(X)/N(H)*10^6

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 11

Содержание элементов в твердой фазе

(dust-phase abundances)

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 12

Стандартный подход:

Cosmic Sun

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 13

ОДНАКО:

1996, Snow & Witt:

C /H(Sun) – 363 ppm

C /H(stars) – 214 ppm

Из твердой фазы «забрали» около 150 ppm!

Результат: CARBON CRISIS

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 14

«Изменения» содержания углерода и кислорода в солнечной атмосфере со

временем

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 15

C O1948 195 537 Unzoeld1950 115 170 Chunarts (Minnart, Sun)1953 36.3 363 Menzel (Пулковский курс, т.III)1965 525 912 LB1965 (Куликовский, 1971)1973 331 661 Allen, AQ1981 316 631 LB1981 (Куликовский, 2002)1982 417 692 Cameron, Nuclear Astrophysics1989 363 851 Anders, Grevesse1993 398 741 Grevesse, Noels1996 214 457 Snow, Witt2001 391 545 Holweger2003 245 490 Lodders, ApJ 591, 12202004 245 457 Apslund et al., astro-ph/0410214

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 16

Текущее состояние

Sun zeta Oph (dust)

C 245 110

O 457 126

Mg 33.9 31.9

Si 34.2 32.6

Fe 28.2 28.2

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 17

Межпланетные пылинки(NASA collection)

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 18

Межзвездные (?) пылинки

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 19

Три подхода к моделированию

1. Две и более популяции компактных частиц

Метод расчета: теория Mie2. Перемешивание веществ

(показателей преломления) в одной частице: теория эффективной среды (effective medium theory, EMT)

Метод расчета: EMT-Mie3. Неоднородные

(композитные) частицы, состоящие из различных материалов в виде включений (или слоев)

Метод расчета: DDA (nMie)

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 20

EMT-Mie calculations

Bruggeman

mixing rule

– dielectric permittivity of material,f – volume fraction

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 21

DDA vs EMT-Mie

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 22

Многослойные шары

Идея:

John Mathis (Jena, Oct. 98, beer party)

Реализация:

Voshchinnikov, Mathis (ApJ, 1999)

Теория: nMie

Преимущества:

любую долю любого вещества можно поместить в любое место частицы + точные расчеты

Недостаток:

концентрические шары

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 23

DDA vs layered spheres

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 24

How large? P=0.9, r(porous)/r(compact)=2.154

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 25

Interstellar extinction:normalized cross sections

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 26

Межзвездное поглощение:

zeta Oph (HD 149757)

Av = 0.94 mag.

obs model

C 110 195 ppm

O 126 128

Mg 32 25

Si 33 30

Fe 28 34

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 27

sigma Sco (HD 147165)

Av = 1.13 mag.

obs model

C 176 121 ppm

O 85 66

Mg 30.9 15.5

Si 32.4 7.5

Fe 27.9 26.4

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 28

Near-IR extinction (observations)

Spitzer & 2MASS: Indebetow et al. (ApJ 619, 931, 2005)

1.2-8 m;

photometry;

Galactic plane:

l=42 deg. & l=284 deg.

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 29

Near-IR extinction (observations)Spitzer & 2MASS:

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 30

Near-IR extinction (theory)

(Zeta Oph:)

Component (I)

Be1 – 5%,

pyroxene – 5%,

vacuum - 90%Ak/D=0.15+/-0.10 mag./kpc

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 31

10m feature

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 32

10m полоса: обнаружение

Low (1965)-photometer

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 33

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 34

10мкм полоса: растяжение связи

Si - O

Olivines

(оливково-зеленый цвет) Mg2xFe2-2xSiO4, 0<=x<=1

X=1: Mg2SiO4 - forsterite (A.J. Forster – английский коллекционер минералов и торговец)

X=0: Fe2SiO4- fayalite (место находки о. Фаял, Азорские о-ва)

Pyroxenes

(от греч. «огонь» + «чужеземец») MgxFe1-1xSiO3, 0<=x<=1

X=1: MgSiO3 - enstatite (от греч.

«противник», трудно плавится)

X=0: FeSiO3- ferrosilite (по составу)

Это – твердые растворы внедрения

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 35

10m feature: observations

TIMMI2:

Thermal Infrared Multi Mode Instrument 2

ESO: 3.6m telescope

(low resolution grism mode: R=160)

LWS:

Long Wavelength Spectrometer

Keck: 10m telescope

(Resolution: R=100-1400)

IRS:

Infrared Spectrograph

Spitzer Space Telescope: 0.85m

Resolution: 100-600

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 36

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 37

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 38

10m feature: TIMMI2

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 39

10m feature: что влияет на форму?

1. Минералогия (различные материалы)

2. Эффекты изменения размера, формы, структуры,… (теория рассеяния света)

3. Свойства объекта (эффекты температуры, самопоглощение, …)

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 40

Systematic calculations

mass absorption coefficient

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 41

porosity

mass

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 42

porosity

mass

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 43

IR bandsT Tauri stars (Przygodda et al. A&A 412, L43, 2003)

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 44

IR bands: interpretation

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 45

IR bands

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 46

IR bands: interpretation

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 47

IR bands: more observationsT Tau + Herbig Ae/Be

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 48

IR bands: interpretation

wider

sharper

weaker stronger

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 49

IR bands: interpretation

wider

sharper

weaker stronger

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 50

Давление излучения:

T(star) = 2500 K

R(star) = 300 R(Sun)

M(star) = 2 M(Sun)

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 51

Температура:

T(star) = 2500 K

R = 10000 R(star)

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 52

Непрозрачность (opacity)

Md(compact)/Md (EMT-Mie)~1.5

Md(compact)/Md (layered spheres)~4.1

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 53

Выводы и что дальше

1. Можно использовать «приближенные» теории для рассмотрения рассеяния света композитными пористыми частицами.

2. Композитные пористые частицы позволяют интерпретировать различные наблюдения, в частности, с учетом пониженного содержания элементов.

--------------------- Далее: ---------------------------------3. Рассмотрение рассеянного излучения.4. Несферические частицы.5. Поляризация…

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 54

ВСЁ!

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 55

Near-IR extinction (observations)

ISO: Lutz et al. (1996, 1999)

3-8 m;

H recombination lines;

Galactic center

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 56

One conclusion

Observations are strongly ahead of theory!

Все-таки наблюдения сильно опережают

теорию!

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 57

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 58

IR bands: interpretation

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 59

IR bands

small size (Rayleigh) inclusions inclusions of different sizes

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 60

EMT mixing rules

Conditions of applicability:1) inclusions are small (Rayleigh);2) inclusions do not interact;3) volume fraction of inclusions is small (less

than 10 – 20%; verification from laboratory and numerical experiments).

EMT is used:Greenberg, Hage – P=0.93-0.98 (comets)Li, Greenberg – P=0.95 ( Pictoris)……………………………………….

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 61

Сечение поглощения: различная пористость

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 62

28.06.2006, 16-40 125 лет АО, СПбУ 63

Зачем изучают пыль?