星际纳米金刚石 Interstellar Nanodiamonds 学生：李凯军 导师：李爱根教授 研究方向:天体物理与星际物质 2018年7月28日

目录 1.研究背景与意义 2.星际纳米金刚石

一 研究背景及意义 碳（C）元素 是宇宙中第四最丰富的元素，仅次于氢（H），氦（He），氧气（O） 金刚石 He/H ≈ 0.1，O/H ≈ 5X10-4，C/H ≈ 4X10-4 碳的原子序数为6，共有6个电子 碳原子的电子排布为1s22s22p2 碳原子外层有4个电子（2s22p2），这些电子通过sp1，sp2，sp3 轨道杂化可以形成三种化学键，因而可以形成碳的多种同素异性体。 金刚石 石墨 1mm 碳原子的电子排布

碳的同素异形体 1mm Ehrenfreund P,Foing B H. 2010

星际空间中的碳同素异形体 （I） 石墨（graphite）：固态尘埃，sp2杂化 ← 通过星际2175Å消光驼峰（extinction bump）已被探测到 氢化无定形碳（hydrogenated amorphous carbon， HAC）：固态尘埃，sp1，sp2， sp3 三种杂化的混合体 ← 通过星际3.4μm吸收光谱特征已被探测到 多环芳香烃 （polycyclic aromatic hydrocarbon，PAH）← 通过星际3.3，6.2，7.7，8.6，11.3μm发射光谱特征已被探测到；

星际空间中的碳同素异形体 （II） 金刚石 （diamonds） 富勒烯（fullerene，如C60，C70）← 通过星际7.0， 8.5，17.4，18.9 μm发射光谱特征已被探测到； 巴基球（buckyonions） 石墨烯（graphene） 碳纳米管（carbon nanotubes） 碳化硅（silicon carbide） 金刚石 （diamonds）

拟研究课题及意义 尺寸？ 含量？ 形成？ 演化？ 如何探测？ 碳是否以金刚石的形式存在于星际空间之中？ 如果金刚石确实存在于星际空间： 尺寸？ 含量？ 形成？ 演化？ 如何探测？ 1mm 研究意义：对星际金刚石的全面定量研究，将深化人们对星际物质特别是星际碳的了解，为JWST（James Webb Space Telescope）望远镜的观测提供理论基础。

碳是否以金刚石的形式存在于星际空间之中？ 在原生陨石（primitive meteorites）中通过同位素（isotope）分析，证认了来自星际空间的纳米金刚石（presolar nanodiamonds） 1mm

陨石纳米金刚石 来自Orgueil陨石（实心黑线），5nm合成纳米金刚石（黑色虚线）和100nm合成金刚石（实心灰线）的2-3nm纳米金刚石的3.3-3.7μm红外光谱。（图中也说明了纳米金刚石具有尺寸依赖性） A.P.Jones 2004

纳米金刚石在两颗恒星的星周尘埃盘里被观测到 Circumstellar Nanodiamonds：3.43和3.53μm 在HD97048和Elias1两个源中观测到了3.43和3.53 μm特征峰，并且与实验室得到的金刚石的光谱一致。 Van Kerckhoven et al. 2002 纳米金刚石表面被氢化，CH键在3.43和3.53μm振动！

Elias 1 恒星周围的纳米金刚石的发射光谱和实验室测得的吸收光谱比较。 星际纳米金刚石的存在依据 Elias 1 恒星周围的纳米金刚石的发射光谱和实验室测得的吸收光谱比较。 Chang et al. 2004

Orgueil陨石的光谱 Chang et al. 2004 星际纳米金刚石的存在依据 在氧化和脱氢之后就没有了3.43和3.53μm处的特征峰 Chang et al. 2004

A.P. Jones & L.B. d’Hendecourt et al.2004

为什么是“纳米”金刚石？ 单光子随机加热 Huan-Cheng Chang et al. 2004 在弥漫星际云中,纳米尘埃可以被单个光子随机加热到比它的平衡温度高得多的温度。 因为纳米尘埃单光子 随机加热的特性, 星际介质在近红外和中红外的辐射包含了有关纳米尘埃的大小和化学组成的重要信息. 如果满足以下条件, 星际空间中的尘埃颗粒会经历温度涨落: (1) 其热容量与光子的能量相当或更小; (2) 尘埃对光子的吸收速率(单位时间内吸收光子的数目)小于发射速率。 Huan-Cheng Chang et al. 2004

为什么是“纳米”金刚石？ 不同半径的尘埃在一天时间内的温度变化 Draine 2003 Carbon dust

为什么是“纳米”金刚石？  

热容量  

热容量 对于小于2nm的颗粒来说，随机加热是很重要的。 Van Kerckhoven et al. 2002

异常微波辐射（AME） 在几个星际环境有异常微波辐射（AME）产生，它们在数十千兆赫频率处具有峰值。但是发射源是不确定的，并且已经提出作为载体的PAH现在被证明与AME信号是不相关的。 在三颗原行星盘中的发现了AME，同时这些原行星盘中也探测到纳米金刚石的存在。快速旋转的纳米粒子可以发射电偶极子辐射，氢化纳米金刚石其表面C-H键可提供所需的电偶极矩。

异常微波辐射（AME） AME的流量曲线和V892 Tau系统中纳米金刚石尺寸和丰度的模型化概率。 （J.S.Greaves et al.2018）

介电函数  

研究计划 纳米金刚石在星际空间的单光子加热 → 单光子加热对尘埃尺寸很敏感（因为尘埃的热容量正比于尘埃所含碳原子个数，即尺寸的立方）→ 从而限制尘埃尺寸 纳米金刚石在星际空间的红外辐射 → 为JWST望远镜观测提供理论基础 （观测者可以通过观测光谱与我们的模型光谱比较而研究星际纳米金刚石） 1mm

谢谢