| Project Area | Next Generation Astrochemistry: Reconstruction of the Science Based on Fundamental Molecular Processes |
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| Project/Area Number |
20H05847
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
相川 祐理 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (40324909)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
花輪 知幸 千葉大学, 先進科学センター, 特任教授 (50172953)
渡部 直樹 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (50271531)
古家 健次 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (80783711)
高柳 敏幸 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (90354894)
吉田 直紀 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90377961)
山崎 祥平 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (90570177)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥95,160,000 (Direct Cost: ¥73,200,000、Indirect Cost: ¥21,960,000)
Fiscal Year 2024: ¥19,630,000 (Direct Cost: ¥15,100,000、Indirect Cost: ¥4,530,000)
Fiscal Year 2023: ¥20,410,000 (Direct Cost: ¥15,700,000、Indirect Cost: ¥4,710,000)
Fiscal Year 2022: ¥20,930,000 (Direct Cost: ¥16,100,000、Indirect Cost: ¥4,830,000)
Fiscal Year 2021: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥14,690,000 (Direct Cost: ¥11,300,000、Indirect Cost: ¥3,390,000)
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| Keywords | アストロケミストリー / 量子化学計算 / 理論天文学 / 星・惑星系形成 / リングポリマー分子動力学 / 吸着エネルギー / 表面拡散 / 流体力学シミュレーション / 星形成 / 原始惑星系円盤 / 反応経路探索法 / 同位体分別 / 原始星 / 経路積分法 / 重水素濃縮 / 反応性脱離 / 原始星コア |
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| Outline of Research at the Start |
近年、原始星の周囲数100天文単位以内を空間分解した観測が可能となった。そこは10 Kから300 K程度の中間温度領域であり、星間物質から惑星系物質への進化の現場である。中間温度でのさまざまな素反応の反応速度や分岐比の解明は、ポテンシャルエネルギー曲面の決定に加え、反応ダイナミクスの理解も必要となるなど理論化学においても新たなフロンティアである。本研究では星間化学、量子化学計算、宇宙物理学の専門家が協力し、中間温度においても定量的な予言性をもつ次世代アストロケミストリーを構築するとともに、星・惑星系形成過程における物質進化を解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
気相の反応素過程については，機械学習と反応経路探索を組み合わせてH- + C2H2及びNH3+ + H2反応のポテンシャル面を作成した。これ用いてリングポリマー分子動力学計算を行い，低温反応におけるトンネル効果の重要性を明らかにした。
氷表面反応については，水素分子吸着の氷クラスターのサイズ依存性について検討し、吸着確率が局所的な相互作用だけで決まっていることを明らかにした．また氷表面に付着した鉄イオンがアセチレン３分子からベンゼンを生成する反応の触媒として機能することを見出した．さらにOHラジカルの氷表面における拡散の活性化エネルギーを導出し，氷表面においてOHが関わる化学が活性化する温度を求めた．
反応ネットワークモデルにおいては，量子化学計算に基づくNH2OHの素反応を組み込んだ数値計算を行い，水素引き抜き反応がNH2OH生成の妨げや破壊に大きな役割を果たすことを示した．また表面実験班と協力し，実験的に水氷表面における分子の吸着エネルギーと表面拡散障壁の関係を調べた．その結果，従来のモデルで仮定されてきた両者の単純な相関関係は存在しないことが分かった．そこで，表面拡散障壁をあえてランダムに変えたモデル計算を行い，拡散障壁の不定性がネットワークモデルの不定性に与える影響を明らかにした。
流体計算においては，原始星DG Tau に見られるストリーマーと呼ばれる細長く延びた降着流の形成を再現するモデルを作成した．また降着流が原始星の潮汐力によりストリーマー状になるための条件を理論的に示した．
原始惑星系円盤について，熱化学構造とその変化を明らかにするため，中心星による光蒸発過程の流体シミュレーションを行った．中心星は数百万年の間に光度やスペクトルを大きく変える．星進化コードで詳細なスペクトルを計算し，ガス円盤の照射に関わる紫外線光度などを求めた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
上記「研究実績の概要」に記した通り，量子化学計算においては機械学習と反応経路探索を用いたポテンシャル曲面開発法を星間反応へ応用することができた．反応ネットワーク計算においては，実験的研究とも連携して現在の反応ネットワークモデルに内在する不定性に関する理解を進めることができた．流体計算においては，観測的研究とも連携して原始星周囲のストリーマー構造や原始惑星系円盤の光蒸発について研究が進展した．
また上記以外に，ダストサイズ分布や乱流を考慮した原始惑星系円盤組成進化モデル，原始星コアや原始惑星系円盤での同位体比，デブリ円盤化学に関する観測的研究，分子雲形成時の分子組成進化に関する理論的研究も行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
反応素過程については，ポテンシャル曲面開発法をさらに他の星間反応へ適用し、量子効果の重要性を明らかにする．また、アセチレン３分子からベンゼンが生成する触媒反応について他の遷移金属を検討する．光解離反応について，c-C3H2や最近になって観測された新たな星間炭化水素の量子化学計算を行い，C-C結合およびC-H結合の解離機構を明らかにする．また，炭素原子の氷表面におけるふるまいを調べ，その結果を反応ネットワーク計算に組み込む．
反応ネットワークモデルについては，吸着エネルギーおよび表面拡散の活性化エネルギーの分布を取り入れる手法の開発を進める．
流体計算については，分子ガスの自己重力を高次精度で計算する流体力学シミュレーションコードを作成する．また，原始惑星系円盤の散逸過程の詳細を明らかにするため，中心星の光度変動をあらわに取り入れた円盤長期進化のシミュレーションを行う．星質量や初期円盤質量を変えたシミュレーションを系統的に行い，円盤構造へ与える影響を明らかにする．
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