Measurement of high-temperature optical constants of solar-nebula minerals
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt "Measurement of high-temperature optical constants of solarnebula minerals” wurde von der DFG innerhalb des SPP 1385 "The first 10 million years of the solar system: A planetary materials approach" für 2 Förderperioden im Zeitraum 01/2010 - 12/2014 gefördert. Im Laufe des Projektes wurden eine Vielzahl temperaturabhängiger spektroskopischer Messungen an Mineralen vorgenommen, welche in der Frühzeit des Sonnensystems als Kondensate bei relativ hohen Temperaturen auftraten und heute Bestandteile von Asteroiden und Kometen sind, so z.B. Olivin, Enstatit, Spinell, Quartz, sowie Korund. Der größte Teil der Messungen erfolgte im infraroten Spektralbereich als Reflexionsmessungen an polierten und orientierten einkristallinen Proben. Aus den gewonnenen Spektren wurden temperaturabhängige komplexe Brechungsindizes ermittelt, welche über die Internet-Datenbank des AlU Jena für die Berechnung astrophysikalische Modelle protoplanetarer Scheiben und anderer Objekte zur Verfügung gestellt wurden. Die thermische Verschiebung und Verbreiterung der charakteristischen Schwingungsanregungen der Minerale in den Infrarotspektren wurde anhand der Temperaturabhängigkeit von Lorenzoszillator-Parametern untersucht. Die Messungen stellen die bisher umfassendsten Untersuchungen dieser Art für astrophysikalisch wichtige Minerale dar. In Zusammenarbeit mit Kollegen innerhalb und außerhalb des SPP wurden die Daten auf die Interpretation einiger astronomischer Beobachtungen sowohl von protoplanetaren Scheiben als auch von Staubhüllen von entwickelten Sternen angewendet, wobei die gemessene Temperaturabhängigkeit der Positionen und Breiten von Infrarotbanden in unseren Daten für diese Modelle eine wesentlich genauere Bestimmung der Staubmineralogie erlaubte als bisher. Zusätzlich wurden temperaturabhängige Messungen an diesen Mineralen (und an Wasser-Eis) in Bereichen niedrigerer Absorptionskoeffizienten, nämlich im sichtbaren und nahen IR- sowie im fernen IR-Spektralbereich durchgeführt. Diese Untersuchungen hatten eine genauere Bestimmung des generellen Absorptionsniveaus zum Ziel und wurden als Transmissionsmessungen bei Probendicken im Millimeterbereich durchgeführt. Bei Olivin wurde außer der vorhergesagten Verstärkung der NIR-Kristallfeldbande mit zunehmender Temperatur gefunden, dass das Absorptionsniveau außerhalb der Bande auch bei höheren Eisengehalten gering war, im Gegensatz zum Verhalten amorpher Silikate. Auch im FIR ist das Absorptionsvermögen des kristallinen Olivins um bis zu zwei Größenordnungen geringer als das amorpher Silikate und fällt mit sinkender Temperatur bei Wellenlängen größer als 100 µm drastisch ab. Bei bisherigen Messungen an Pulvern war dies bisher nicht gefunden worden, der Grund dafür ist unklar. Wenn richtig, würde dieses Ergebnis den Beitrag von Olivinpartikeln zur Strahlungsemission kalten Staubes stark limitieren. Auch die Absorption von kristallinem Wassereis jenseits von 200 µm Wellenlänge zeigt eine starke Temperaturabhängigkeit. Hierfür wurde ein Modell entwickelt, das in Zukunft temperaturunabhängige Daten der Opazität von Eispartikeln ersetzen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Near-infrared absorption properties of oxygen-rich stardust analogs. The influence of coloring metal ions", Astron. Astrophys. 526 (2011), A68
S. Zeidler, Th. Posch, H. Mutschke, H. Richter, O. Wehrhan
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"Low-temperature absorption of olivine at farinfrared wavelengths", Earth Planets Space, 65 (2013), 1139-1143
H. Mutschke, S. Zeidler, H. Chihara
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"Optical constants of refractory oxides at high temperatures - Mid-infrared properties of corundum, spinel, and α-quartz”, Astron. Astrophys. 553 (2013), A81
S. Zeidler, Th. Posch, H. Mutschke
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"Optical properties of interstellar dust from cosmic dust analogs studied in the lab". In: The Life Cycle of Dust in the Universe: Observations, Theory, and Laboratory Experiments, ed. C. Kemper et al., Proceedings of Science, Trieste, PoS(LCDU 2013)042
H. Mutschke
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'The temperature-dependent optical properties of (circum-)stellar dust analogs in the infrared'. Dissertation (2013), Friedrich-Schiller-Universität Jena
S. Zeidler
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"Absorption of crystalline water ice in the far infrared at different temperatures", Astron. Astrophys., 573 (2015), A29
C. Reinert, H. Mutschke, A. Krivov, T. Löhne, P. Mohr
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"IR Optical Constants of Olivine and Enstatite from 10 Kto 928 K", In: Why Galaxies Care about AGB Stars III: A Closer Look in Space and Time, ed. F. Kerschbaum, R. F. Wing, and J. Hron, ASP Conference Series 497 (2015), 407
S. Zeidler, H. Mutschke, H., T. Posch
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"Temperature-dependent infrared optical constants of olivine and enstatite", Astrophys. J., 798 (2015), 125
S. Zeidler, H. Mutschke, Th. Posch
