Infrared specroscopy of free-flying dust particles

• Antragsteller: Dr. Harald Mutschke
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 40976568

• Erstellungsjahr: 2009

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurde die einzigartige Methode der Infrarotspektroskopie frei-fliegender Staubteilchen (Staub-Aerosole) benutzt, um Infrarot-Extinktionsspektren einer großen Anzahl von Partikelproben aus Oxiden und Silikaten im Wellenlängenbereich 2-50 pm zu messen und eine Internet-Datenbank solcher Spektren zu erstellen. Die Spektren können von Astronomen als Eingabe in Modelle der Infrarot-Strahlungsemission oder -absorption durch kosmischen Staub verwendet werden, z.B. für Planetensystemen oder Atmosphären entwickelter Sterne. Der direkte Vergleich beobachteter Spektren mit den Labordaten erlaubt es bereits, die Staubzusammensetzung zu untersuchen und Schlüsse über physikalische und chemische Prozesse z.B. in jungen Planetensystemen zu ziehen. Dies ist mit unseren Daten möglich, da im Gegensatz zu konventionellen Spektroskopischen Methoden die Partikel nicht in flüssige oder feste Medien eingebettet sind bzw. auf den Oberflächen eines Substrats sitzen. Wir haben innerhalb des Projektes die gemessenen Daten bereits verwendet, um Infrarot-Emissionsspektren „staubiger" Ausflüsse sogenarmter AGB-Steme sowie Spektren von Staub in der Debris-Scheibe (siehe unten) des Sterns HD69830 zu interpretieren. In diesem Zusammenhang ist der Einfluss der Staubteilchen-Morphologie (Korngröße und -form, Agglomeration) ein wichtiger Punkt. Mit der Methode, die hier verwendet wurde, waren wir in der Lage, routinemäßig die Morphologie der Aerosolpartikel durch Abfiltem und elektronenmikroskopische Untersuchung zu charakterisieren. Der Einfluss der Agglomeration, unter anderem auch von unterschiedlich großen Teilchen, sowie insbesondere der Einfluss der Kornform (z.B. sphärisch, abgerundet, irregulär, scharfkantig) auf die Profile der Infrarotbanden wurde detailliert untersucht. Durch begleitende Rechnungen mit Hilfe von Lichtstreuungs-Modellen waren wir in der Lage, die systematischen Zusammenhänge zwischen Morphologie und spektralen Merkmalen der Banden teilweise zu verstehen und Modelle zu entwickeln, die diese berücksichtigen. Unserer Auffassung nach ist dies ein sehr wichtiger Schritt, um die früheren starken Diskrepanzen zwischen experimentellen und simulierten Spektren von Staubpartikeln zu überwinden. Ein anderes Ziel des Projektes war es, Spektren von Partikelproben mit unterschiedlichen Teilchengrößen zu untersuchen, insbesondere bei Größen, die vergleichbar zur Wellenlänge sind (1-10 pm), und diese Spektren in Modellen der Infrarotemission von Debris-Staub (Staub, der durch Fragmentation größerer Körper in Planetensystemen entsteht) anzuwenden. Dieses Ziel hat sich als experimentell zu anspruchsvoll herausgestellt, um innerhalb des Projektes zur Zufriedenheit bearbeitet werden zu können. Die Gründe hierfür sind (1) dass Streu- und Absorptionsverluste in den experimentellen Spektren nicht getrennt werden konnten, dass aber nur die Absorptionsanteile mit Emissionsspektren vergleichbar sind und (2) dass die Herstellung von Proben mit enger Korngrößenverteilung so aufwändig ist, dass nur wenige Experimente durchgeführt werden konnten. Da der erstere Grund von recht prinzipieller Natur ist und eine kurzfristige Lösung des Problems nicht in Sicht ist, kann dieses Ziel auch mit einer gewissen Verlängerung der Projektdauer vermutlich nicht erreicht werden. Gegenwärtig muss konstatiert werden, dass die Anwendbarkeit der Spektren auf Emissionsprobleme auf den Fall von Teilchen, die klein gegenüber der Wellenlänge sind, beschränkt ist, für die Streuverluste vernachlässigbar sind. Folglich werden wir bei der Modellierung der Emission von Debris-Staub ausschließlich gemessene Spektren von genügend kleinen Teilchen verwenden und diese numerisch modifizieren, um die Korngrößenabhängigkeit zu simulieren. Dies erachten wir als einen deutlich besseren Weg als uns auf ausschließlich simulierte Spektren zurückzuziehen. Dieser Teil unserer Arbeit wird fortgesetzt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Experimental Mid-IR Spectroscopic Extinction Measurements of Agglomerate Dust Grains in Aerosol", National Astronomical Observatory of Japan, Mitaka, Japan, Oct. 11,2007
  A. Tamanai et al.
  
• "IR band profiles of silicate and oxide dust obtained by laboratory measurements of free-flying particles", Tagung der Astronomischen Gesellschaft: Cosmic Matter - Splinter D, Würzburg, Germany, Sept. 25-28, 2007, Abstract in: Astronomische Nachrichten, Vol. 328, Issue 7, p. 654, 2007
  H. Mutschke, A. Tamanai, J. Blum, M. Min
  
• Experimental Infrared Spectroscopic Extinction Measurements of Agglomerate Dust Grains in Aerosol: Combination of Different-Sized Particles, 5th Planet Formation Workshop, Braunschweig, September 19-21, 2007
  A. Tamanai et al.
  
• "Collisional and Thermal Emission Models of Debris Disks: Toward Planetesimal Population Properties,", ApJ, Vol. 687, p. 608, 2008
  A.V. Krivov, S. Müller, T. Löhner, H. Mutschke
  
• "IR spectroscopic measurements of free-flying silicate dust grains", Poster Award Talk, International conference "Cosmic Dust Near & Far", Heidelberg, Germany, Sep. 8-12,2008
  A. Tamanai et al.
  
• The grain shape dependence of the dust IR band profiles, International conference "Cosmic Dust Near & Far", Heidelberg, Germany, Sep. 8-12, 2008
  H. Mutschke et al
  
• "IR spectroscopic measurements of free-flying silicate dust grains", in "Cosmic Dust-Near and Far", eds. Th. Henning, E. Grün, J. Steinaclcer, Astronomical Society of the Pacific Conference Series, 2009
  A. Tamanai, H. Mutschke, J. Blum
  
• "Laboratory-based grain-shape models for simulating dust infrared spectra", Astronomy & Astrophysics, 2009
  H. Mutschke, M. Min, A. Tamanai
  
• "Morphological Effects on Infrared Spectra: Experimental spectroscopic measurements of free-flying particles", The 1st CPS International School of Planetary Sciences: Dust in Space, Kobe, Japan, Jan. 5-9, 2009
  A. Tamanai et al.
  
• "Morphological effects on IR band profiles: Experimental spectroscopic analysis with application to observed spectra of oxygen-rich AGB stars", Astronomy & Astrophysics, Vol. 501, p. 251, 2009
  A. Tamanai, H. Mutschke, J. Blum, Th. Posch, & C. Koike, J.W. Ferguson
  
• "The HD69830 exozodi: combining dynamics and spectroscopy", 2nd ISSI workshop on Exozodis and Darwin, Bern, April 7, 2009
  S. Müller and H. Mutschke
  
• "Infrared spectroscopy of dust particles in aerosols for astronomical applications", in Fundamentals and Applications of Aerosol Spectroscopy, eds. J. Reid, S. Signorell, CRC Press
  A. Tamanai and H. Mutschke