ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 33, № 10, с. 784-791
УДК 524.57
ПОЛЯРИЗАЦИЯ В ИК-ПОЛОСАХ И СТРУКТУРА КОСМИЧЕСКИХ ПЫЛИНОК
© 2007 г. М. С. Прокопьева, В. Б. Ильин*
Астрономический институт им. В.В. Соболева Санкт-Петербургского государственного
университета Поступила в редакцию 02.03.2007 г.
В спектрах ряда объектов одновременно наблюдаются ледяная и силикатная пылевые полосы с центрами около 3 и 10 мкм соответственно. До сих пор зависимость степени поляризации от длины волны в обеих полосах моделировалась с использованием двухслойных сфероидальных частиц, форма силикатного ядра которых была софокусна форме ледяной оболочки. Мы показываем, что несофокус-ность сфероидальных поверхностей ядра и оболочки принципиально меняет волновую зависимость поляризации в силикатной полосе на 10 мкм и существенно влияет на степень поляризации в ледяной полосе на 3 мкм, в то время как профили поглощения этих полос остаются практически неизменными. Поскольку результаты получены для теоретической модели, обсуждается их применимость и значение для космических пылинок.
Ключевые слова: межзвездная пыль, поляризация, ИК-полосы.
POLARIZATION IN IR BANDS AND THE STRUCTURE OF COSMIC DUST GRAINS, by M. S. Prokopjeva and V. B. Il'in. The water ice and silicate dust bands centered at about 3 and 10 ^m, respectively, are simultaneously observed in the spectra of several objects. So far the wavelength dependence of the polarization in both bands has been modeled using two-layer spheroids, with the shape of their silicate core being confocal to the shape of the ice mantle. We show that the nonconfocality of the spheroidal core and mantle surfaces changes fundamentally the wavelength dependence of the polarization in the 10-^m silicate band and affects significantly the polarization in the 3-^m water ice band, while the absorption profiles of these bands remain essentially unchanged. Since the results have been obtained for a theoretical model, we discuss their applicability and significance for cosmic dust grains.
PAC S numbers : 98.38.Cp; 98.38.Am
Key words: interstellar dust, polarization, IR bands.
ВВЕДЕНИЕ
Важным источником сведений о межзвездных пылинках являются инфракрасные (ИК) пылевые полосы, наблюдаемые в спектрах галактических источников. Профили полос дают информацию о химическом составе, форме и, в некоторой степени, размере пылинок (см., например, статью Мина и др., 2007), поляризация в полосах — о форме, ориентации и, возможно, структуре частиц (Ли, Дрэйн, 1985; Хеннинг, Стогниенко, 1993; О'Доннелл, 1994).
В последние годы было выполнено достаточно много не только спектроскопических, но и спек-трополяриметрических наблюдений пылевых полос
Электронный адрес: ilin55@yandex.ru
и, в частности, наиболее сильных из них: ледяной полосы на 3 мкм (Хаф и др., 1989; Холло-вэй и др., 2002) и силикатной на 10 мкм (Смит и др., 2000). Обе полосы часто наблюдаются в спектрах объектов одновременно. Предполагается, что в этих случаях силикатные частицы (или силикатные частицы с оболочкой из органики) имеют ледяную оболочку (Гринберг, 1989; Чиар и др., 2006). Образование такой оболочки в случае пористых частиц пока не рассматривалось. При моделировании рассеяния света компактными двухслойными частицами использовались (при учете поляризации): 1) точное решение проблемы рассеяния света методом разделения переменных для частиц со слоями, имеющими софокусные сфероидальные границы (Сомсиков, Вощинников,
1999; Зиновьева, 2006); 2) приближение Рэлея для слоистых софокусных сфероидов (Ли, Дрэйн, 1985; О'Доннелл, 1994; Ильин, 1995; Зиновьева, 2006); 3) приближенная теория эффективной среды (effective medium theory, ЕМТ) (О'Доннелл, 1994; Ильин, 1995). Заметим, что использование ЕМТ обосновано лишь в случаях, когда разные вещества примерно равномерно перемешаны в частицах и едва ли приемлемо, когда частицы имеют малое число слоев (Вощинников и др., 2005; Прокопье-ва, 2005). Таким образом, фактически при интерпретации наблюдательных данных всегда делалось предположение о том, что форма ледяной оболочки строго софокусна форме силикатного ядра.
В этой работе мы рассмотрели профили поглощения и поляризации ледяной и силикатной полос для частиц, имеющих несофокусные сфероидальные поверхности ядра и оболочки. В следующем разделе описана модель, использованная нами при моделировании полос для ансамблей несферических двухслойных частиц. Далее приведены некоторые результаты расчетов и обсуждаются астрономические следствия выявленных эффектов.
ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
Мы использовали развитую в работах Матиса и др. (1977), Матиса (1979), Дрэйна, Ли (1984), Ким, Мартина (1995), Ли, Дрэйна (2001) модель космической пыли, согласно которой в межзвездной среде присутствуют несферические (в нашем случае сфероидальные) силикатные частицы. Считается, что при определенных физических условиях эти пылинки могут быть покрыты ледяной оболочкой. В модели, активно развивавшейся Гринбергом (см., например, работы Гринберга, 1989; Ли, Гринберга, 1997), между силикатным ядром и ледяной оболочкой присутствует слой, состоящий из льдов, сильно загрязненных органическими соединениями (роль этого слоя будет рассмотрена в нашей последующей работе). Остальные модели космических пылинок пока являются недостаточно детально разработанными для нашего моделирования.
Следует учитывать то, что из-за столкновений с молекулами газа и эффекта Барнета пылевая частица в межзвездной среде вращается с высокой угловой скоростью ш вокруг оси с минимальным моментом инерции — например, для вытянутых сфероидов вокруг оси, перпендикулярной оси симметрии, для сплюснутых — вокруг оси симметрии (Спитцер, 1981). Векторы ш могут быть ориентированы различными процессами (Лазарян, 2007). Одним из предельных случаев такой ориентации является полная динамическая ориентация, при которой векторы угловых скоростей всех частиц параллельны. Это имеет место для
частиц размером больше ^0.05—0.1 мкм в механизме Матиса (1986), при определенных условиях в механизме Дэвиса-Гринстейна (см., например, работу Хонга, Гринберга, 1980) и т.д.
Будем анализировать поглощение и линейную поляризацию излучения, прямо прошедшего через облако частиц (в нашем случае ансамбль полностью динамически ориентированных сфероидов), характеризуемые
А(А) = 1.086<Се* (1)
Р (А) = <Сро1) а ^100%,
где (Се^)А и <Ср01 )А — усредненные сечения ослабления и поляризации, N — лучевая концентрация пылевых частиц.
Рассмотрим ансамбли сфероидов одного объема с одним отношением полуосей. Сечение ослабления, усредненное по ориентациям частиц ансамбля, равно
(Оы)а = <Сех0(А,Гей ,а/Ь,...,й) = (2)
2п р
= с™ (тА ,Хей, а/Ь, ...,а) +
+ Сы (mx,xeS,a/b, ...,а)
du,
где ш — угол поворота частицы в плоскости ее вращения, а — угол между осью симметрии сфероида и направлением падающего излучения, й — угол между вектором угловой скорости частицы и направлением распространения падающего излучения. Для однородных частиц задаются: тА — показатель преломления, зависящий от длины волны А, хей = 2пгей/А, где гед — радиус шара, объем которого равен объему сфероида, а/Ь — отношение полуосей сфероида. Для двухслойных сфероидов должны быть добавлены еще три параметра для ядра: тсА, х£й, (а/Ь)с (вместо х£й мы ниже используем отношение объемов оболочки и ядра Vm/Vc). Под СеМ и СеЕ понимаются сечения для двух видов поляризации падающей плоской волны: так называемые ТМ и ТЕ-моды (см. подробнее книгу Борена, Хафмена, 1986).
Сечения поляризации с учетом усреднения по всем ориентациям частиц в плоскости их вращения есть
2п
(Cpoih = (Cpol )(Х, reff, a/b, ...,Q) =
1
4^
(3)
С™ (m\, ...,а) - (mx, ...,а)
■TE/
cos 2Ф du,
x
x
Рис. 1. Профили изменения поглощения (а) и линейной поляризации (б) в пределах ледяной и силикатной полос для двухслойных сфероидов со сплюснутой ледяной оболочкой с (a/b)m = 1.2 и силикатным ядром разной формы: сплюснутым, софокусным оболочке с (а/Ь)с = 1.4905 — сплошные линии; сплюснутым, несофокусным с (а/Ь)с = 1.2 — штриховые линии; сферическим с (а/Ь)с = 1 — пунктирные линии. Отношение объема оболочки к объему ядра Vm/Ус = = 0.5, объем частиц равен объему шара радиусом г^ = 0.1 мкм, полная динамическая ориентация частиц с углом О = 60о.
где
cos 2Ф = -
2 cos2 и cos2 Q 1 — cos2 и sin2 Q
- 1
(4)
Углы Q,a и и связаны между собой следующим образом (Хонг, Гринберг, 1980; Прокопьева, 2005):
cos а = cos и sin Q, для вытянутых (5) сфероидов; sin а = sinQ, для сплюснутых сфероидов.
Очевидно, что в нашей модели функции длины волны A(A),P(A) определяются волновой зависимостью безразмерных сечений (Qext,pol}\ =
= (Cext,pol }х/nrff, которую и будем в дальнейшем рассматривать.
Показатели преломления ш\ для "астрономического" силиката и загрязненного льда были предоставлены нам автором одной из моделей космической пыли (A. Ли, частное сообщение). Использование показателей преломления других силикатов и льда H2 O из базы данных об оптических постоянных для астрономии JPDOC (Ягер и др., 2003) давало качественно сходные результаты.
Моделирование взаимодействия излучения с однородными и двухслойными сфероидальными несофокусными частицами, т.е. расчет сечений
С™ , (ша , хей, а/Ь,... ,а), проводился с использованием разработанного нами ранее метода расширенных граничных условий для многослойных осесимметричных частиц (Фарафонов и др., 2003). Напомним, что этот метод позволяет получить точное решение проблемы рассеяния света. Правильность работы созданной нами программы проверялась как рассмотрением внутренней сходимости результатов, так и сравнением их в ряде частных случаев с результатами, полученными для несофокусных частиц приближенным методом дискретных диполей (Дрэйн, Флатау, 2004) и для софокусных частиц точным методом разделения переменных (Фарафонов и др., 1996). Во всех рассмотренных случаях была подтверждена достоверность результатов, даваемых нашей программой.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Волновые зависимости поглощения и поляризации в пределах ледяной и силикатной полос, типичные для полученных нами в рамках выбранной
Рис. 2. По
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.