Jager03

Steps toward Interstellar Silicate Mineralogy VII. Spectral Properties and Crystallization Behaviour of Magnesium Silicates Produced by the Sol-Gel Method

Jager, Dorschner, Mutschke, Th. Posch, Henning

2003 AA 408, 193 - 204

　アブストラクト　

　純粋なマグネシウムシリケイト (Mg/Si = 0.7 - 2.4) の系列を作り、波長 0.2 - 500 μm の範囲で光学定数を決めた。製作法はゾル・ゲル法であり、マグネシウムとシリコンの水酸化物を溶液内で沈殿させる化学的手法である。これらのマグネシウムシリケイトの著しい特徴は、シリケイト網目結合中に Si-OH 結合が非常に少ないことである。その結果、結晶化起動エネルギーが低下し、こうして結晶化の温度障壁が下がりかつ結晶化時間も短くなる。我々のゾル・ゲルシリケイトが天文学的に妥当であることは、モデル放射スペクトルを AGB 星の ISO-SWS スペクトル、地上観測 10 μm スペクトルと比較して確認した。

　AGB スペクトルの典型例として TY Dra = 10, 20 μm バンドが細くその間の谷が深い、を選んだ。TY Dra から得られたダスト放射率はモデルできれいに再現され、星のダストグレインは実際純粋な非晶質マグネシウムシリケイトであることを支持する。AGB 星と超巨星集団の平均スペクトルも良く合う。ただし、中間谷間部に強い放射を示す TR Cas のような星では他のダスト成分からの追加が必要である。それは多分なんらかの酸化物だろう。そのような追加成分の粗い光学的性質は、 R Cas スペクトルから純粋マグネシウムシリケイト成分を差し引いたスペクトルから得られる。

　１．イントロダクション　

　２．実験　

　ゾル・ゲル法　

　ゾル・ゲル過程とは低温の液相でシリケイトが化学的重合化する現象である。テトラエトキシシラン（TEOS)＝オルトケイ酸テトラエチルやマグネシウムメチレイト Mg(OCH₃)₂ のような金属有機化合物が前駆体として働く。それらは水溶性である必要がある。反応の第１段階は前駆体の加水分解(hydrolysisi) で水酸化物 (hydroxides) Si(OH)₄, Mg(OH)₂ が形成される。その沈殿物が三次元マグネシウムシリケイト網目構造を作る。非晶性はX 線回析で確認された。

　成形　

　粉末試料は 200 t/cm² で加圧して錠剤とした。それをエポキシレジンに埋め込み、表面を研磨した。

　測定　

　反射率測定を UV から FIR に掛けて行った。1 &mu:m 以下の粒子試料を、磨り潰した後に無水アルコールに沈殿させる方法で作成し KBr 錠剤として透過測定に使用した。

表１．反射測定に用いたマグネシウムシリケイトの成分。

図１．様々な MgO/SiO₂ 比での MgO・SiO₂系の透過率スペクトル。見やすさのため 0.4 づつずらした。

　３．１．スペクトルの性質　
　図１にマグネシウムシリケイトの透過スペクトルを示す。非晶質マグネシウムシリケイトは一般に 10 μm と 20 μm に幅広の吸収帯を示す。 Si-O 伸縮振動による吸収位置は純粋の SiO₂ における 9 μm から MgSiO₃ の 9.7 μm を経て Mg_2.4SiO_4.4 に至る。一方、ＭgＯ量が 20 μm Si-O 屈曲振動位置に及ぼす影響はバンド巾が広いので検出困難である。

図２．２種類の試料の反射スペクトルの比較。実線＝計算。破線＝測定。

　３．２．反射スペクトル　
　図２に反射スペクトルを示す。1000 cm^-1 と 500 cm^-1 に顕著なバンドが存在する。　

表２．成分診断に有効なスペクトル特性。

　３．３．光学定数の導出　

　ローレンツ振動子とクラマースクロニッヒ関係　

　Mg_0.7SiO_2.7 はローレンツ振動子モデルのみで解析した。他の試料はそれに加えクラマースクロニヒ関係を用いた。

図３．反射率測定をローレンツ振動子モデルでフィットして導いた、マグネシウムシリケイトの光学定数。 (n, k) は http://www.astro.uni-jena.de/Laboratory/Database/silicates.html から得られる。
(２０２２年時点では消えている。)

　３．４．他の非晶質マグネシウムシリケイトとの比較　

図４．ゾル・ゲル法 Mg₂SiO₄ と MgSiO₃ と鉄を含むパイロキシンとオリビンガラスの (n, k) の比較。
(ＮＩＲのｋに差が出てる。)

　　

　

　　

　

　　

　

図５．実線＝ゾル・ゲル法 Mg₂SiO₄光学定数と点線＝Mg₂SiO₄ フィルム(Scott, Duley 1996) の比較。かなり良い一致が見られる。

図６．ゾル・ゲル法 Mg₂SiO₄光学定数と　Mg₂SiO₄ フィルム(Scott, Duley 1996) の吸収断面積の比較。実線＝球形粒子。点線＝楕円率連続分布。見やすさのためファクターずらした。

　

表３．

　３．５．結晶化　

図７．様々な Si-OH 含有量に対する粉体試料の透過スペクトル。全ての試料は１時間の加熱を行った。結晶化とスペクトル特性の相関が見える。孤立化した Si-OH 結合による 2.7 μm バンドも見える。　

　４．観測との比較　

　４．１．AGB 星　

図８．TY Dra SWS/ISO スペクトルとゾル・ゲル法マグネシウムシリケイトスペクトルの比較。

図９．鉄コア＋マグネシウムシリケイト外層モデルの吸収係数。

図１０．３つの集団に分けた AGB 星の平均スペクトルとゾル・ゲル法シリケイトを用いたその再現。

図１１．R Cas と TY Dra の規格化スペクトル同士の引き算スペクトル。現れた 13 μm 放射帯はシリケイトでは再現できない。
　４．２．窪みオパシティ問題　
　

図１２．単位体積当たりの吸収断面積
　４．３．遠赤外オパシティ　

　５．結論　

　ゾル・ゲル法シリケイトの光学定数　

　純粋の非晶質マグネシウムシリケイトの体系的な研究はこれまで行われて来なかった。ゾル・ゲル法により様々な Mg/Si 比の非晶質シリケイトを作成できた。ローレンツ振動子と暗ーマースクロニヒ関係で試料の光学定数を定めた。

　スペクトル変化　

　Mg 比が増すにつれ, 10 μm ピークは長波長側に、20 μm ピークは短波長側に移り、間隙は狭まる。予想されたように、鉄分のが入ると近赤外での大きな差が現れる。その他の診断特性が判った。

　結晶化　

　結晶化には Si-OH 結合の量が大きく影響することがアニーリング実験から判った。

　TY Dra 観測との比較　

　TY Dra スペクトルとの比較から、様々な Mg/Si 比のマグネシウムシリケイトがほぼ完全にスペクトルを再現することが判った。

　R Cas スペクトルの問題　

　R Cas スペクトルはゾル・ゲルマグネシウムシリケイトでもガラス質 Mg/Fe シリケイトでも再現できない。他の成分の寄与が必要である。