Modeling Porous Dust Grains with Ballistic Aggregates. II. Light Scattering Properties
我们研究了Shen等人(论文I)中构建的无规弹道聚集体的光散射性质。使用离散偶极近似,我们计算散射相函数和线性偏振随机聚集体与各种尺寸和孔隙率,并与两种不同的组合物:100%硅酸盐和50%硅酸盐-50%石墨。我们调查的光散射特性的波长,集群的大小和孔隙率使用这些聚集模型的依赖关系。我们发现,而相函数的形状主要取决于聚集体的尺寸参数,线性极化取决于聚集体的尺寸参数和孔隙率,随着孔隙率的增加,极化程度增加。与以前的研究相反,我们认为,单体的大小有弹道聚集体的光散射性能的影响可以忽略不计,只要构成单体小于入射波长高达2*pi*a_0/λ \sim 1.6,其中a_0是单体半径。先前关于这种单体尺寸效应的说法实际上是尺寸参数和孔隙率的组合效应。最后,我们提出了聚合模型,可以再现的相位函数和偏振的散射光从AU Mic碎片盘和彗星尘埃,包括观察到的彗星在散射角160<θ <180度的负偏振。这些聚集体具有中等孔隙率,P \sim 0.6,并且对于碎片盘的情况是亚微米尺寸,或者对于彗星的情况是微米尺寸。
2009-01-15 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Dust Motion and Possibility of Dust Growth in a Growing Circumstellar Disk
我们使用三维电阻磁流体动力学模拟计算了恒星形成云核的演化,将尘埃颗粒视为拉格朗日粒子,以研究恒星形成早期阶段的尘埃运动。我们准备了六组不同大小的尘埃颗粒,范围为$a_{\rm d}=0.01$-$1000\,μ$ m,其中$a_{\rm d}$是尘埃颗粒大小。在引力坍缩云中,原恒星周围形成一个星周盘,并驱动原恒星外流。几乎所有的小尘埃颗粒($a_{\rm d} \lesssim 10$ - $100\,μ$ m)最初分布在区域$θ_0 \lesssim 45^\circ$的中心喷出的外流,其中$θ_0$是相对于旋转轴的初始天顶角,而只有少数的大尘埃颗粒($a_{\rm d} \gtrsim 100\,μ$ m)分布在该地区被喷出。所有其他的粒子都落在原恒星或盘上,而没有被流出物喷射出去。无论尘埃颗粒大小如何,尘埃颗粒进入星周盘后,尘埃运动的行为分为两个趋势。从上包层到达内盘区域的尘埃颗粒优先落在原恒星上,而从包层到达外盘区域或盘外缘的尘埃颗粒可以在没有向内径向漂移的情况下存活下来。这些残存的颗粒会引起尘埃的生长。因此,我们预计外盘区域可能是行星形成的有利场所。
2022-11-29 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
The radiative torque spin-up efficiency of ballistic dust grain aggregates
本文研究了弹道粉尘颗粒聚集体的辐射转矩自旋效率,发现标准参数化高估了最大角速度,提出了一种能更准确预测角速度的新参数化方法,并指出强辐射源仍可导致颗粒旋转破坏。
2024-12-20 astro-ph.EP astro-ph.GA
Composite Circumstellar Dust Grains
本文计算了含石墨和碳化硅的复合硅酸盐颗粒在5- 25 $\rm μm$光谱范围内的吸收效率。我们研究了吸收曲线随夹杂物体积分数的变化。特别是,我们研究了在10和18 $\rm μm$的峰值吸收波长的变化。我们还研究了多孔硅酸盐颗粒的吸收的变化。利用吸收效率计算了不同尘埃温度下的红外辐射通量,并与IRAS和Spitzer卫星观测到的一些M型AGB星周围星周尘埃的红外辐射通量进行了比较。我们解释观测数据的拱星尘埃颗粒大小,形状,成分和尘埃温度。
2016-07-21 astro-ph.GA astro-ph.SR
Physical conditions for dust grain alignment in Class 0 protostellar cores I. Observations of dust polarization and molecular irradiation tracers
对0级原恒星的高角分辨率观测已经产生了这些年轻的嵌入物体的包络中的偏振尘埃发射的详细地图。有趣的是,ALMA带来的灵敏度提高揭示了偏振分数的广泛动态范围,特定位置隐藏着大量的偏振尘埃排放。我们的目的是表征的晶粒排列条件和尘埃的性质负责观察到的偏振尘埃发射的内信封(~1000金)的0类原恒星。我们分析了与ALMA获得的偏振尘埃发射图,并将其与特定分子示踪剂的分子线发射图进行比较,主要是CCH,这使我们能够探测尘埃颗粒排列理论中的关键组成部分之一:照射场。我们发现,CCH峰值朝向外流腔壁,在那里的偏振尘埃排放也得到加强。我们的分析提供了一个试探性的极化强度和CCH发射的形态之间的相关性,这表明照射在腔壁上的辐射场有利于在这些地区的晶粒排列和温暖的碳链化学。我们认为,沿外流腔壁发生的冲击可能是一个额外的光子源,有助于尘埃颗粒排列。然而,核心的某些部分,例如赤道平面,表现出增强的偏振通量,尽管没有观察到辐射驱动的化学反应,例如在辐射扭矩理论上不够有效的情况下。这表明,额外的物理条件,如源的几何形状和尘埃颗粒的演变,可能发挥作用的颗粒排列。
2022-12-23 astro-ph.GA astro-ph.SR
Supernova induced processing of interstellar dust: impact of ISM gas density and gas turbulence
量化超新星对星际介质中尘埃的破坏效率对于理解星系尘埃演化至关重要。我们提出了三维流体动力学模拟的SN冲击波传播通过ISM。残骸的前向激波与周围ISM的相互作用导致ISM尘埃被激波加热的气体破坏。我们考虑了由于离子溅射、原子/分子吸积和颗粒-颗粒碰撞引起的尘埃加工。使用来自模拟时间序列的2D切片,我们使用Paperboats代码应用后处理计算。我们发现,粉尘破坏的效率强烈地依赖于由于颗粒颗粒碰撞的颗粒破碎率。当忽略颗粒之间的碰撞时,有效的粉尘破坏与以前的理论估计相似,但包括颗粒破碎在内,净破坏效率大约高出一个数量级。这一结果表明,ISM中的尘埃破坏率可能在以前的工作中被严重低估,这只会加剧在高红移星系中看到的尘埃预算危机。
2021-11-02 astro-ph.GA astro-ph.SR
Chemical modelling of dust-gas chemistry within AGB outflows -- II. Effect of the dust-grain size distribution
AGB星和超新星是构成星际介质的主要物质。AGB星形成的尘埃颗粒被认为很大。然而,由于尘埃在其流出物中的成核和生长仍然不清楚,尘埃粒度分布(GSD)是未知的。这是一个重要的不确定性,我们的知识的化学和物理历史的星际尘埃,作为AGB尘埃形式的$\sim$ 70%的起点,其演变。我们扩展了我们的化学动力学模型,其中包括一个全面的粉尘-气体化学。现在允许GSD偏离通常假设的标准Mathis et al.(1977)分布。我们发现,特定的GSD可以显着影响内流出的粉尘-气体化学。我们的研究结果表明,耗尽的气相物种的水平取决于平均晶粒表面积的GSD。当使用一系列跃迁时,可以从分子发射线的观测中检索气相丰度分布及其可能的耗尽。由于GSD处方内的简并性,无法检索特定参数,仅检索平均晶粒表面积(下限)。尽管如此,这可以区分主要由大颗粒或小颗粒组成的灰尘。我们表明,当结合其他可观测的,如光谱能量分布和偏振光,耗尽水平从分子气相丰度分布可以限制难以捉摸的GSD的尘埃AGB流出到ISM。
2020-05-04 astro-ph.GA astro-ph.SR
Constraining dust properties in Circumstellar Envelopes of C-stars in the Small Magellanic Cloud: optical constants and grain size of Carbon dust
我们提出了一种新的方法,旨在限制典型的大小和光学性质的碳尘埃颗粒在拱星信封(CSE)的富碳恒星(C星)在小麦哲伦云(SMC)。为了实现这一目标,我们应用我们最近的尘埃生长的描述,再加上辐射转移代码的CSE的C-恒星沿TP-AGB的演变,我们计算光谱和颜色。然后,我们比较我们的建模颜色在近红外和中红外(NIR和MIR)波段与观察到的,测试不同的假设,在我们的尘埃计划,并采用几个数据集的光学常数的碳尘埃在文献中。在我们的尘埃方案中采用的不同假设改变了产生的碳颗粒的典型尺寸。我们通过选择粒度和光学常数的组合来约束碳粉的性质,该组合最好同时在NIR和MIR中再现几种颜色。在某些情况下,光学性质和粒度的不同选择导致NIR和MIR颜色的差异大于两个数量级。我们的结论是,所观察到的NIR和MIR颜色的完整集合最好由尺寸在$\sim$ 0.035和$\sim$ 0.12~ $μ$ m之间的小颗粒再现,而不是由尺寸在$\sim0.2$和$0.7$ ~ $μ$ m之间的大颗粒再现。大颗粒不能再现近红外和中红外颜色似乎与所采用的光学数据集无关。我们还发现了一个可能的趋势,这些恒星的CSE的质量损失和/或碳过剩的晶粒尺寸。
2016-06-29 astro-ph.GA astro-ph.SR
Constraining the Porosities of Interstellar Dust Grains
我们目前的理论计算的X射线散射性质的多孔颗粒聚集体与橄榄石单体。这些聚集体的小角度和大角度散射特性分别由颗粒的全局结构和子结构决定。我们根据聚集体的光学和X射线性质构造了两种诊断方法R_X和T_X,并将它们应用于银河系双星GX 13 +1周围尘埃晕的Chandra测量。排除孔隙率高于约0.55的颗粒聚集体。未来的高精度观测的X射线尘埃晕连同详细的模拟的X射线散射特性的多孔颗粒混合物将进一步限制多孔颗粒聚集体的存在下,在一个给定的尘埃人口。
2009-06-04 astro-ph.GA
Effect of temperature on the structure of porous dust aggregates formed by coagulation
Oregon State University(俄勒冈州立大学)
研究通过三维模拟探讨温度及单体尺寸分布对尘团结构的影响,发现高温和多尺寸单体凝聚可使尘团更密集紧凑。
2026-03-05 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Impact of grain size distributions on the dust enrichment in high-redshift quasars
在高红移($z>5$)类星体中,观测到大量的尘埃($\textstyle\sim 10^{8} \mathrm{M}_{\sun}$)。为了解释大的尘埃含量,我们专注于一种可能性,即重元素的吸积颗粒生长是主要的尘埃源。我们采用了一个适用于附近星系的化学演化模型,但利用足够的参数高$z$类星体。据推测,金属和尘埃主要由II型超新星(SNe)喷出。我们已经发现,晶粒生长强烈地依赖于晶粒尺寸分布。如果我们简单地使用从SNe喷射的颗粒的尺寸分布,则颗粒生长是低效的,因为缺乏小颗粒(即,尘埃颗粒的表面积与体积比小)。然而,如果我们考虑到星际破碎产生的小颗粒,颗粒生长的效率足以解释高$z$类星体中丰富的尘埃丰度。我们的研究结果不仅证实了晶粒生长是解释高$z$类星体中大量尘埃的必要条件,而且还表明晶粒尺寸分布对晶粒生长有着至关重要的影响。
2012-05-29 astro-ph.GA
Physical conditions for dust grain alignment in Class 0 protostellar cores II. The role of the radiation field in models aligning/disrupting dust grains
本文利用POLARIS辐射转移模拟研究0类原恒星内部辐射场对尘埃颗粒排列的作用,发现中心辐照、超顺磁性颗粒及大于10微米颗粒是使合成偏振观测达到ALMA实测水平的关键,并揭示高光度事件可影响颗粒排列与碎裂。
2023-03-22 astro-ph.GA
The Importance of Physical Models for Deriving Dust Masses and Grain Size Distributions in Supernova Ejecta I: Radiatively Heated Dust in the Crab Nebula
最近对超新星遗迹(SNRs)的远红外(IR)观测显示,在其喷出物中有大量新凝聚的尘埃,与现有耐火元素的总质量相当。从这些观测中得出的尘埃质量假设,无论尘埃加热机制或颗粒半径如何,给定种类的所有颗粒都以相同的温度辐射。在本文中,我们推导出的尘埃质量的蟹状星云喷出物,使用的加热和辐射的尘埃的物理模型。我们采用了幂律分布的颗粒大小和两种不同的尘埃成分(硅酸盐和无定形碳),并计算每个尘埃颗粒的加热率的脉冲星风星云(PWN)的辐射。我们发现,晶粒达到一个连续的温度范围,这取决于它们的大小和成分。从最佳拟合模型得到的总质量为0.019-0.13太阳质量,这取决于假设的颗粒成分。我们发现,粉尘颗粒的幂律粒度分布的特点是由一个3.5-4.0的幂律指数和大于0.1微米的最大粒径。颗粒大小和成分与IIP型SN中形成的尘埃颗粒的预期一致。我们推导出的尘埃质量至少是一个因素的两个小于在以前的研究中的蟹状星云,假设更简化的双温度模型的质量报告。本研究的结果表明,在一个现实的尘埃温度分布的物理模型,可以约束尘埃的属性,并影响派生的尘埃质量。我们的研究也可能有重要的影响,推导出其他SNRs的颗粒特性和质量估计,以及SNe是否是银河系星际介质(ISM)和外部星系中尘埃的主要来源的最终问题。
2013-07-03 astro-ph.GA
Expected dust grain size distributions in galaxies detected by ALMA at $z>7$
高红移星系中的尘埃特性为宇宙中尘埃的起源提供了线索。虽然在星系中观测到了红移为$z>7$的尘埃,但仅从尘埃总量来确定主要的尘埃源是困难的。因此,我们计算了粒度分布的演变,期望不同的尘埃源预测不同的粒度分布。利用恒星形成时间尺度和文献数据约束下的重子总质量,计算了粒子尺寸分布的演化。为了解释ALMA探测到的$z>7$星系中的总尘埃质量,以下两种解决方案是可能的:(i)恒星喷出物中的高尘埃凝聚效率,以及(ii)有效的吸积(通过吸积星际介质中的气相金属来增加尘埃)。我们发现,这两种情况下预测显着不同的粒度分布:在(i),灰尘是由大颗粒($a\gtrsim 0.1~μ$ m,其中$a$是颗粒半径)为主,而在(ii),小颗粒($a\lesssim 0.01~μ$ m)的丰度显着增强吸积。因此,预期消光曲线在(ii)中比在(i)中陡得多。因此,我们得出结论,消光曲线提供了一个可行的方法来区分在星系演化的早期阶段占主导地位的尘埃源。
2019-09-19 astro-ph.GA
Modelling dust processing and the evolution of grain sizes in the ISM using the method of moments
星际尘埃颗粒没有一个明确的起源。恒星显然是尘埃的制造者,但也是宇宙尘埃的有效破坏者。ISM中的粉尘破坏被认为是SN冲击撞击环境ISM气体(和粉尘)的结果,并导致离子溅射速率增加,从而减少粉尘质量。另一方面,位于冷分子云中的颗粒可以通过冷凝而生长,从而提供了补充机制,甚至是尘埃形成的主要渠道。在稠密的环境中,颗粒可能凝结并形成大的复合颗粒和聚集体,如果颗粒以足够大的能量碰撞,它们可能被粉碎,形成一系列较小的碎片颗粒。本文提出了一种统计建模方法,使用矩量法,这是计算非常便宜,因此可能是一个有吸引力的选择时,结合粉尘处理,例如,星际气体动力学的详细模拟作为一个例子,提出了一个类似太阳邻域的星际尘埃演化玩具模型。
2016-06-07 astro-ph.GA
Using cm Observations to Constrain the Abundance of Very Small Dust Grains in Galactic Cold Cores
在这个分析中,我们说明了如何相对较新的发射机制称为旋转尘埃可以用来表征尘埃颗粒在星际介质。我们证明了这一点,通过使用旋转的尘埃排放观测,以限制非常小的尘埃颗粒($\lesssim$ 10 nm)在银河系冷核样本的丰度。使用的物理性质的核心在我们的样品作为输入到旋转的尘埃模型,我们预测的预期水平的发射波长为1厘米的四个不同的非常小的尘埃颗粒丰度,我们通过比较1厘米CARMA观测约束。对于我们所有的核心,我们发现一个非常小的颗粒耗尽,我们认为这是由于晶粒生长的过程。这项工作代表了第一次旋转的尘埃排放已被用来限制星际尘埃颗粒的物理性质。
2015-11-20 astro-ph.GA
Carbon 'fluffy' aggregates produced by helium - hydrocarbon high pressure plasmas as analogs to interstellar dust
本研究提供了一个高功率介质阻挡放电与氦和饱和烃气体供给在不同的基板上的碳相关的产品的沉积的调查。放电的特征在于通过电压-电流测量,而中性物种和解离化合物积累在等离子体反应器中进行了分析,通过傅立叶变换红外(FTIR)光谱。用FTIR和X射线光电子能谱学分析了沉积在不同衬底上的非芳香氢化非晶碳(a-C:H)薄膜和“蓬松”碳尘的性质。a-C:H膜的sp2杂交分数可以忽略不计,而对于“蓬松”灰尘,不超过10%。微观外观,层次组织和CH 2/CH 3比约2的“蓬松”尘埃模拟的结果,支持目前的理解宇宙碳尘的物理化学性质。
2018-09-11 astro-ph.GA
The rotational disruption of porous dust aggregates from ab-initio kinematic calculations
本研究通过从头算运动学计算与三维N体模拟,探究多孔尘埃聚集体加速旋转下的动力学特性,揭示其形变规律、旋转破裂最大角速度及结构影响,提出拟合公式并发现大型聚集体破裂特性与理论预测的差异。
2023-01-30 astro-ph.EP astro-ph.GA cond-mat.mtrl-sci
Spinning Dust Emission from Wobbling Grains: Important Physical Effects and Implications
本文综述了包括多环芳烃(PAHs)在内的快速旋转微小尘埃粒子电偶极辐射模拟的主要进展。我们首先总结了Draine和Lazarian提出的旋转尘埃的原始模型以及最近改进Draine和Lazarian模型的理论结果。该评论的重点是重要的物理效应,被忽略在早期的研究中,为了简单起见,最近占我们,包括晶粒摆动由于内部弛豫,单离子碰撞的脉冲激发,三轴晶粒形状,电荷波动,和天体物理环境的湍流性质。讨论了旋转粉尘排放对微小粉尘物理性质和环境条件的约束意义。我们讨论了微小尘埃颗粒的排列和偏振旋转尘埃发射的可能性。本文还讨论了对微小颗粒取向和旋转尘埃发射极化的限制。
2012-10-31 astro-ph.CO astro-ph.GA
Effect of non-spherical projectiles on the structure of porous dust aggregates formed by coagulation
Oregon State University(俄勒冈州立大学)
该研究通过软球离散元模拟,探究非球形弹丸对凝并形成的多孔尘埃聚集体结构的影响,发现聚集体结构参数的相关依赖关系,指出尘埃凝并后需额外处理才能匹配观测结果。
2026-08-06 astro-ph.GA
Dust grains cannot grow to millimeter sizes in protostellar envelopes
恒星和行星形成领域的一个大问题是尘埃颗粒大量生长的时间。在不同波长范围内观测到的尘埃发射特性已被用作一种迹象,表明毫米大小的颗粒已经存在于年轻原恒星的封套中。然而,这种解释与凝结模拟的结果有矛盾,凝结模拟在这些条件下不能产生如此大的颗粒。在这项工作中,我们分析表明,毫米大小的颗粒在原恒星信封的生产是不可能的凝聚过程的标准假设下。我们讨论了几种可能性,可能有助于解释所观察到的粉尘排放在没有原位晶粒生长到毫米大小。
2022-10-04 astro-ph.GA
The Dynamics of Charged Dust in Magnetized Molecular Clouds
我们研究了湍流巨分子云(GMC)中大的带电尘埃颗粒的动力学。在主要为中性的稠密气体中,大量的尘埃颗粒表现为空气动力学颗粒,因此能够在尘气比中产生剧烈的小尺度波动。Hopkins & Lee(2016)直接模拟了超声波MHD湍流中中性尘埃颗粒的动力学,这是GMC的典型特征,并表明尘埃到气体的波动在小尺度上可以超过1000倍,对恒星形成,恒星丰度以及尘埃行为和生长具有重要意义。然而,即使在GMC中的主要中性气体中,尘埃颗粒也是带负电荷的,并且洛伦兹力是不可忽略的。因此,我们扩展了我们以前的研究,包括洛伦兹力对带电颗粒的影响(除了阻力)。对于小的带电颗粒(尺寸<0.1微米),洛伦兹力抑制尘埃与气体的比值波动,而对于大颗粒(尺寸>1微米),洛伦兹力基本上没有影响,这种趋势可以用尘埃磁化的简单理论很好地解释。在某些特殊的中间情况下,洛伦兹力可以增强尘气分离。无论如何,对于物理预期的缩放的尘埃电荷与粒度,我们发现最重要的影响取决于粒度(通过阻力方程)与洛伦兹力/电荷作为二阶校正。我们表明,我们考虑的动力学是由三个无量纲的数字在弱背景磁场的限制:湍流的马赫数,尘埃阻力参数(正比于晶粒尺寸)和尘埃洛伦兹参数(正比于晶粒电荷),这些使我们能够推广我们的模拟到广泛的条件。
2017-07-07 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
From small dust to micron-sized aggregates: the influence of structure and composition on the dust optical properties
本研究以微米级尘埃颗粒为试点样本,用离散偶极子近似计算其光学性质,发现结构和孔隙率会显著影响红外与毫米波段性质,无法用球体近似,强调尘埃生长模型对构建致密星际介质尘埃模型的重要性。
2025-04-29 astro-ph.GA
Simulating galactic dust grain evolution on a moving mesh
星际尘埃是银河系生态系统的重要组成部分,在多个星系形成过程中起着关键作用。我们提出了一个新的数值框架的动力学和尺寸演化的尘埃颗粒实现的动网格流体动力学代码AREPO适合宇宙学星系形成模拟。我们采用了基于粒子的方法,灰尘受到动力,包括阻力和重力。拖曳力的实现使用二阶半隐式积分器和验证使用几个灰尘流体动力学测试问题。每个尘埃粒子都有一个粒度分布,描述了不同大小的颗粒的局部丰度。的粒度分布是离散的二阶分段线性方法和演变的时间根据各种粉尘的物理过程,包括吸积,溅射,粉碎,和凝聚。提出了一种新的恒星演化过程中随机形成尘埃的方案和尘埃物理时间步的亚循环新方法。利用这个模型,我们模拟了一个孤立的盘状星系,研究尘埃物理过程的影响,塑造星际粒度分布。例如,我们演示了如何粉碎灰尘的粒度分布转移到较小的尺寸,导致从光学到近紫外波长的辐射消光显着上升。我们的模拟尘埃和气体混合物的框架可以很容易地扩展到其他动力学过程相关的星系形成,如磁流体动力学,辐射压力和热化学过程。
2018-05-11 astro-ph.GA
Effects of grain size distribution on the interstellar dust mass growth
星际云中金属吸积造成的颗粒增长(称为“颗粒增长”)可能是决定星系中尘埃含量的主要过程之一。本文论证了晶粒尺寸分布对晶粒长大的重要性。首先,我们推导出一个分析公式,给出了在任何初始粒度分布的单个云的晶粒生长后的粒度分布。晶粒生长的时间尺度对晶粒尺寸分布非常敏感,因为晶粒生长主要受晶粒的表面积与体积比的调节。接下来,我们实施的结果,随着星际介质中的颗粒形成和破坏的整个星系系统的尘埃富集模型的颗粒生长,发现在云的颗粒生长在附近的星系中的尘埃含量,除非颗粒大小是强烈的偏见的大小大于$\sim 0.1 \micron$或功率指数的颗粒大小分布是浅于$\sim -2.5$。在一定的金属丰度水平下(Asano et al. 2011和Inoue 2011中称为临界金属丰度),云中的颗粒生长有助于尘气比的快速增加,我们发现这对颗粒尺寸分布很敏感。因此,颗粒生长不仅有效地增加了附近星系的尘埃质量,而且还增加了金属丰度大于临界值的高红移类星体的尘埃质量。我们的晶粒生长配方适用于任何粒度分布,并很容易实现到任何框架的尘埃富集星系。
2011-05-25 astro-ph.CO astro-ph.GA
Mechanical Torque Disruption of Dust Grains Induced by Supernova Shock Waves
本文通过三维流体动力学模拟后处理,研究超新星激波在星风泡内对既有及新凝结尘埃颗粒的机械力矩破坏效应,发现其时标长于动力学溅射、与颗粒碎裂相当,主要由高颗粒漂移速度驱动。
2025-03-10 astro-ph.GA
Chemical Kinetics Simulations of Ice Chemistry on Porous Versus Non-Porous Dust Grains
星际尘埃颗粒物质的孔隙度很难定义,尽管最近的研究表明这些颗粒可能是高度多孔的。除了影响尘埃的光学性质外,孔隙度还可能影响尘埃颗粒表面的化学反应,通过增加表面积,增强局部结合能,以及在颗粒上形成冰帽时将分子捕获在孔隙内的可能性。通过计算动力学模拟,我们研究星际颗粒表面化学和冰的成分是如何受到底层尘埃颗粒材料的孔隙度的影响。使用一个简单的程序,理想化的三维尘埃颗粒的构造,原子由原子,不同程度的孔隙度。扩散化学,然后在这些表面上模拟使用非晶格微观蒙特卡罗化学动力学模型,MIMICK,假设物理条件适合暗星际云。在多孔的颗粒表面上,主要由水组成的冰帽的积聚导致孔隙被覆盖,留下空的口袋。一旦孔隙被完全覆盖,化学和结构行为与相同尺寸的无孔颗粒相似。颗粒孔隙存在的最突出的化学效应是捕获在颗粒表面上形成的分子氢,在颗粒孔隙内的冰和空隙内。以这种方式捕获H2可能表明,当冰开始形成时,其他挥发性物质,如不包括在这些模型中的惰性气体,可能被捕获在尘埃颗粒多孔结构中。
2021-04-27 astro-ph.GA
Evolution of grain size distribution in high-redshift dusty quasars: Integrating large amounts of dust and unusual extinction curves
大量的尘埃和高红移类星体(z > 4)中不寻常的消光曲线的发现给早期宇宙尘埃的起源和性质带来了挑战性的问题。本文基于考虑颗粒尺寸分布的尘埃演化模型,研究了高Z类星体中尘埃含量和消光曲线的演化。首先,我们表明,牛奶路消光曲线是复制通过引入一个中等分数(~0.2)的致密的分子云相的星际介质的石墨-硅酸盐尘埃模型。然后,我们表明,在高z类星体中的消光曲线可以通过采取更高的分子云分数(>0.5)来解释,这导致更有效的晶粒生长和凝聚,并通过假设无定形碳而不是石墨。高Z类星体宿主中的大量尘埃含量也被发现是尘埃增长增强的自然结果。这些结果表明,分子云中的颗粒生长和凝聚是增加尘埃质量和改变星系中尘埃尺寸分布的关键过程,并且与不同的尘埃成分一起,可以有助于形成消光曲线。
2014-10-29 astro-ph.GA
Indirect evidence of significant grain growth in young protostellar envelopes from polarized dust emission
在恒星形成的过程中,尘埃颗粒是如何以及何时开始成长为鹅卵石的,这是恒星和行星形成的一个基础问题。我们计算了偏振辐射转移从一个模型的太阳型原恒星的核心,使用POLARIS代码,调整尘埃颗粒与当地的磁场,辐射扭矩(RAT)理论。我们测试的依赖性所产生的灰尘偏振发射的灰尘尺寸分布的最大粒径在信封规模,从amax = 1微米到50微米。我们的工作表明,在RAT对齐的框架中,需要大的尘埃颗粒产生偏振尘埃辐射,其水平类似于目前在毫米波长的太阳型原恒星包络中观察到的水平。考虑到目前的理论困难,在典型的原恒星包层条件下排列大部分小的类ISM颗粒,我们的结果表明,在坍缩开始后不到10^5年的时间里,在最年轻的天体中,颗粒生长(通常> 10微米)可能已经在100-1000 au的尺度上取得了显著的进展。对尘埃偏振发射的观测可能为探索尘埃的原始性质和描述微行星形成的初始条件开辟一条新的途径。
2019-07-25 astro-ph.GA
Evolution of grain size distribution with enhanced abundance of small carbonaceous grains in galactic environments
我们提出了一个更新的尘埃演化模型,专注于在星系中的粒度分布。我们把银河系作为一个单一的区域对象,包括五个主要的过程(恒星尘埃的生产,超新星冲击中的尘埃破坏,通过吸积和凝聚的颗粒生长,和粉碎颗粒破裂)。在本文中,我们提高了预测相关的小碳颗粒,这是负责2175年的消光曲线和多环芳烃(PAH)的尘埃发射光谱能量分布(SED),这两个都是在我们以前的模型预测不足的排放功能的颠簸。在新模型中,我们假设小的碳质颗粒不参与星际过程。这避免了小的碳质颗粒因凝结而损失。我们发现,这个假设的模型显示了一个更好的匹配银河系(MW)的消光曲线和尘埃排放SED比以前的。以下两个额外的修改进一步使适合MW尘埃排放SED更好:(i)化学富集模型进行调整,以给出一个接近太阳的金属丰度在本时代,和金属的比例可用于尘埃增长被限制在一半。(ii)对于小的碳质颗粒,芳构化是有效的,使得芳族部分在颗粒半径$\lesssim 20$ <$m处是统一的。由于我们的建模,我们成功地获得了一个尘埃演化模型,解释MW消光曲线和尘埃排放SED在同一时间。
2022-11-18 astro-ph.GA
Dynamics of dust grains in turbulent molecular clouds. Conditions for decoupling and limits of different numerical implementations
分子云中的尘埃颗粒动力学受其与超音速湍流气体运动的相互作用的调节。尘埃颗粒从气体动力学中分离出来的条件仍然没有得到很好的限制。我们的第一个目标是调查的临界尘埃颗粒大小的动力学解耦,使用分析预测和数值实验。其次,我们的目标是设置两个根本不同的数值实现的湍流分子云中的尘埃和气体混合物的演变的有效性范围。我们进行了一套数值实验,使用两种不同的计划。首先,我们在欧拉网格上的终极速度近似(TVA)中使用了单流体形式。其次,我们使用了一个双流体的计划,其中尘埃动力学处理的拉格朗日超粒子,和气体动力学的欧拉网格。单流体的结果与理论上的临界尺寸解耦。我们报告的尘埃动力学解耦斯托克斯数St>0.1,即,灰尘颗粒的$s>4~μ$米的大小。我们发现,TVA是非常适合的晶粒尺寸为10 $μ$ m的分子云,特别是在致密的地区。然而,在St>1的低密度材料中测得的最大粉尘富集度值得怀疑。在拉格朗日尘埃实验中,我们表明,结果的影响,对所有的尘埃粒径的数值。当St<<1时,高密度区的沙尘动力学主要受人为捕获的影响,导致沙尘浓度的虚假变化。当St>1时,最大尘埃富集度由用于气体动力学的网格分辨率调节。因此,以前类似的数值计算工作的结果应该重新考虑我们在这项研究中强调的局限性。亚微米尘埃颗粒的尘埃富集不太可能发生在分子云的致密部分。
2023-01-12 astro-ph.GA
Understanding polarized dust emission from $ρ$ Ophiuchi A in light of grain alignment and disruption by radiative torques
尘埃颗粒与环境磁场的排列产生了星光的偏振以及热尘埃发射。利用SOFIA/HAWC+偏振观测资料,发现在89 $μ$ m和154 $μ$ m处,由一颗B星协恒星所承载的蛇夫座$ρ$(Oph)A云的热尘埃辐射的部分偏振度随颗粒温度的升高而增加,当颗粒温度超过$\simeq$ 25-32 K时,部分偏振度降低。后者的趋势不同于流行的径向转矩(RAT)的取向理论,这意味着一个单调增加的极化分数与晶粒温度的预测。我们进行数值模拟的偏振尘埃排放的$ρ$ Oph-A云和计算的尘埃偏振度,同时考虑尘埃颗粒的排列和旋转中断的RAT。我们的模拟结果可以成功地再现观测数据的上升和下降趋势。此外,我们表明,只有硅酸盐颗粒或硅酸盐-碳颗粒的混合物在复合结构中的排列可以重现观测趋势,假设所有的尘埃颗粒遵循幂律尺寸分布。虽然我们的模型有一些简化和局限性,我们的研究结果表明,在$ρ$ Oph-A云的颗粒具有复合结构,和粒度分布比星际介质的标准尺寸分布有更陡的斜率。SOFIA/HAWC+数据与JCMT观测450 $μ$ m和850 $μ$ m相结合,将有助于测试基于颗粒排列和RAT破坏的拟议方案。
2021-01-22 astro-ph.GA
Properties of shocked dust grains in supernova remnants
由超新星驱动的冲击波既破坏尘埃,又重新加工幸存的颗粒,极大地影响了星际介质(ISM)的尘埃性质。虽然这些过程已被广泛的理论研究,观测的限制是有限的。我们使用物理动机的尘埃排放模型,以适应七个银河系超新星遗迹的红外(IR)光谱能量分布,使我们能够确定弥漫和致密的气相之间的尘埃质量的分布,以及大颗粒和小颗粒之间。我们发现,致密($\sim 10^3 \,{\rm cm}^{-3}$),相对较冷($\sim 10^3 \, {\rm K}$)的气相包含$>90\%$的尘埃质量,使位于X射线发射等离子体($\sim 1 \,{\rm cm}^{-3}$ / $10^6 \, {\rm K}$)的温暖的尘埃的一个可忽略的部分,尽管占主导地位的中红外发射。冷组分中小($\lesssim 10 \, {\rm nm}$)与大($\gtrsim 0.1 \, {\rm μm}$)晶粒的比例与ISM中的比例一致,甚至可能更高,而热相几乎完全没有小晶粒。这表明,将大颗粒加工成较小颗粒的颗粒破碎在低密度气体中是无效的,与模型预测相反。ISM中尘埃破坏的单相模型没有考虑到包含大部分尘埃质量的冷扫物质的存在,可能会大大高估超新星对尘埃破坏的速率。
2022-08-23 astro-ph.GA
Dust Destruction by Drift-Induced Sputtering in Active Galactic Nuclei
最近的中红外高空间分辨率观测表明,活动星系核(AGN)可能拥有一个大小为几个pc的极地尘埃区,这些尘埃可能由中央引擎的辐射携带。极地尘埃的发射往往表现出非常弱或没有硅酸盐10- $μ$ m的发射特征。一个可能的解释是,极地尘埃主要由微米级的大颗粒组成,因为这些颗粒没有显示出硅酸盐的特征,而目前还不清楚大颗粒如何优先供应给极地地区。在这里,我们提出了一个新的方案,描述在极地地区的流行大颗粒。结果表明,活动星系核的辐射压力将颗粒加速到高超音速的漂移速度,这种高超音速漂移通过动力学溅射导致尘埃的破坏。溅射破坏小颗粒的速度比大颗粒快,因此较大的颗粒将优先被吹到更远的距离。虽然由于库仑阻力,对于非常小的颗粒,高超音速漂移或动力学溅射倾向于被抑制,但它们也可能被库仑爆炸破坏。去除小颗粒和/或生存的大颗粒可以解释缺乏硅酸盐10- $μ$ m的排放功能在极地尘埃排放。
2020-02-05 astro-ph.GA
Dust masses and grain size distributions of a sample of Galactic pulsar wind nebulae
我们计算尘埃光谱能量分布(SED)的粒度和成分的范围内,使用适当的物理特性为5脉冲星风星云(PWNe),尘埃排放与喷出物已被检测到。通过拟合观测到的沙尘SED与我们的模型,与不同尺寸的颗粒的数量作为自由参数,我们能够确定在每个PWN的粒度分布和总的尘埃质量。我们发现,所有五个PWNe需要大($\ge 0.1 \, {\rm μm}$)颗粒,以弥补大部分的尘埃质量,与微米级或更大的颗粒存在的强有力的证据。只有两个PWNe含有不可忽略的小($<0.01 \, {\rm μm}$)颗粒。尺寸分布通常很好地表示为破幂律,尽管我们的不确定性太大,无法排除其他形状。我们发现蟹状星云的总尘埃质量为$0.02-0.28 \, {\rm M}_\odot$,这取决于其成分和与同步辐射源的距离,与最近的估计一致。对于我们样本中的三个物体,PWN同步加速器光度不足以为观测到的尘埃发射提供动力,并且需要额外的碰撞加热,无论是来自蟹状星云中发现的温暖,致密的气体,还是更高温度的冲击材料。对于G $54.1$ + $0.3$,尘埃被附近的OB星加热,而不是PWN。推断的尘埃质量变化显着取决于假设的加热机制的细节,但在所有情况下,大质量分数的微米级颗粒是必需的。
2019-12-04 astro-ph.GA
Quantitative Polarimetry: A Unified Model of Dust Grain Alignment by Magnetic Radiative Torques
由于星际颗粒排列而产生的光学星光和远红外热尘埃辐射的偏振,为研究从弥漫的星际介质到年轻恒星周围的吸积盘等各种天体物理环境中的磁场提供了一个强有力的窗口。精确的宇宙学研究需要精确的星系尘埃偏振模型,以便首次探测到宇宙微波背景(CMB)B模信号。只有当开发和测试了将颗粒排列效率与局部物理条件和灰尘性质联系起来的颗粒排列定量理论时,才能实现这样准确的模型。在本文中,我们回顾了成功的发展,这样一个定量的对齐理论,专注于一个统一的模型的晶粒排列的基础上的辐射扭矩和磁弛豫的尘埃颗粒与铁夹杂物。本文讨论了用统一排列模型解释普朗克和ALMA的最新观测结果的意义。
2017-04-06 astro-ph.GA
The Mechanical Alignment of Dust (MAD) I: On the spin-up process of fractal grains by a gas-dust drift
本研究探讨了气尘漂移引发的尘埃机械排列(MAD)机制,通过MC模拟分析分形颗粒的自旋加速效率,发现亚声速漂移足以使颗粒稳定排列并产生高偏振效率,在标准RAT理论失效时可作为替代机制解释尘埃偏振观测。
2023-01-23 astro-ph.GA astro-ph.IM
The Dynamics, Destruction, and Survival of Supernova-Formed Dust Grains
观测表明,超新星可以有效地产生尘埃。这与超新星和渐近巨星分支星是宇宙中尘埃的主要生产者的假设是一致的。然而,有一个长期存在的问题是,在年轻超新星遗迹内部检测到的尘埃中有多少可以逃逸到星际介质中。我们提出了新的流体动力学计算的尘埃颗粒,形成在致密的喷出物团块内的一个Cas A-样的残余物的演变。我们跟随颗粒的动力学,因为它们在它们的团块被反向冲击击中后与气体分离。它们随后在穿越残骸时受到热溅射和动力溅射的破坏。足够大的颗粒(硅酸盐颗粒为$\sim 0.25\,μ$ m,碳质颗粒为$\sim 0.1\,μ$ m)逃逸到星际介质中,而较小的颗粒则被捕获和破坏。然而,到达星际介质的粒子仍然具有很高的速度,并且随着它们的减速而受到进一步的破坏。我们发现,对于初始粒度分布,包括大($\sim 0.25 - 0.5\,μ$ m)颗粒,10- 20\ %的硅酸盐颗粒可以生存,而30- 50\ %的碳质颗粒生存,即使当初始粒度分布截止在较小的($0.25\,μ$ m)尺寸。对于一颗19 M的$_{\odot}$恒星来说,如果形成的尘埃颗粒很大,那么与Cas A的祖先相似,高达0.1 M的$_{\odot}$尘埃可以存活下来。因此,我们表明,在适当的条件下,超新星可以是星际尘埃的重要来源。
2020-09-03 astro-ph.GA astro-ph.HE
Numerical Simulations of Supernova Dust Destruction. I. Cloud-crushing and Post-processed Grain Sputtering
我们调查通过流体动力学模拟的破坏新形成的尘埃颗粒溅射在超新星遗迹的反向冲击。使用一个理想化的设置的平面冲击致密的,球形的团块,我们植入人口的拉格朗日粒子的团块代表的尘埃颗粒的大小和成分的分布。然后,我们对模拟输出进行后处理,以计算各种物种和尺寸分布的晶粒溅射。我们探索适合这个问题的参数空间,通过改变喷出物团块的过密度和反向冲击的速度。由于辐射冷却可以降低尘埃嵌入的介质的温度,并通过减缓或停止晶粒溅射来保护尘埃,因此我们研究了不同冷却方法在模拟时间尺度上的影响。在一般情况下,我们的研究结果表明,晶粒半径小于0.1微米溅射到更小的半径,往往完全摧毁,而较大的晶粒生存与反向冲击波的相互作用。我们还发现,对于高喷出物密度,存活的尘埃的百分比是强烈依赖于团块和反向冲击之间的相对速度,造成高达50%以上的破坏最高速度的冲击。不同谷物种类的粉尘破坏比例差异很大,从Al 2 O3颗粒的完全破坏到Fe颗粒的最小破坏(在最极端的情况下仅破坏20%)。C和SiO2晶粒也表现出中等到较强的溅射,质量损失分别为38%和80%。早期超新星形成的颗粒的存活率对于决定它们是否可以作为解释高红移尘埃所需的“尘埃工厂”至关重要。
2010-04-20 astro-ph.CO astro-ph.GA