Infrarot-Emissionsspektroskopie von Nanopartikeln im Labor zum Verständnis des heißen Exozodiakalstaubes

• Antragsteller: Dr. Harald Mutschke
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539085869

Das Hauptziel des Projekts ist die Gewinnung von Informationen, die zur Identifizierung der Materialien führen oder beitragen, aus denen heiße exozodiakale Staubscheiben (Exozodis) und die F-Korona der Sonne bestehen. Exozodis werden häufig beobachtet und man nimmt an, dass sie aus submikronischen Körnern bestehen, die wegen ihrer Nähe zum Stern bis zu 2000 K heiß sind. Die Zusammensetzung und damit der Ursprung dieser Körner sind derzeit noch unklar. Die gleichen Fragen betreffen auch die Staubkörner der F-Korona. Da heiße exozodiakale Körner durch ihre thermische Emission bei Wellenlängen im nahen und mittleren Infrarot beobachtet werden, bestehen die Informationen, die wir erhalten wollen, aus den optischen Konstanten relevanter Materialien bei hohen Temperaturen in diesen Wellenlängenbereichen. Diese Daten werden es uns ermöglichen, thermische Emissionsspektren für verschiedene Korngeometrien und -größen zu berechnen. Diese werden wir mit verfügbaren oder in Vorbereitung befindlichen astronomischen Beobachtungsdaten vergleichen, um die Zusammensetzung der heißen Exozodis und der F-Korona einzugrenzen. Bei der Auswahl der Projektmaterialien werden die Eigenschaften berücksichtigt, die heiße Exozodi-Staubkörner aufweisen oder die von ihnen erwartet werden, wie die chemische Zusammensetzung und die Sublimationstemperatur. Solche Materialien sind Kohlenstoff-Allotrope, Fe, Fe2O3, Fe3O4, Fe3C und SiC, eine Liste, die wir offenlassen. Ihre optischen Konstanten werden aus der Analyse der thermischen Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR)-Emissionsspektren abgeleitet, die durch FTIR-Reflexionsspektren ergänzt werden. Durch schrittweises Erhitzen der Materialien von Raumtemperatur auf 1800 K für die Emissionsspektroskopie und auf 1000 K für die Reflexionsspektroskopie können wir die Temperaturabhängigkeit der optischen Konstanten charakterisieren. Um FTIR-Emissionsmessungen durchführen zu können, besteht ein Ziel des Projekts darin, diese Technik in unserem Labor einzuführen. Das bestehende FTIR-Spektrometer wird mit einer Erweiterung für thermische Emissionsmessungen bei Temperaturen bis zu 1800 K ausgestattet. Die Emissionsspektren werden mit Proben in der Form von Nanopulver und zusätzlich von polierten Oberflächen (Bulk) gemessen. Der Vergleich der simulierten Emissionswirkungsgrade auf der Grundlage der Bulk-Daten mit den direkt gemessenen Emissionsgraden von Nanopulvern wird es uns ermöglichen, die Auswirkungen der Korngeometrie auf die thermische Emission zu bewerten und die Anwendbarkeit von Modellen zur Vorhersage der Korneigenschaften zu beurteilen. Diese Ergebnisse werden unser Verständnis der Physik und Chemie in Trümmerscheiben verbessern und die Astronomen bei ihrer Suche nach Exo-Erden unterstützen. Darüber hinaus werden die thermischen Emissionsspektren, die über eine öffentlich zugängliche Datenbank zur Verfügung gestellt werden, für die Untersuchung von heißem Staub im inneren Bereich protoplanetarer Scheiben von Nutzen sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen