Interaction between interstellar dust molecules with charged particle and mechanism of molecular evolutions

• Project/Area Number: 20K04028
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 中村 正人 日本大学, 理工学部, 教授 (00256801)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 左近 樹 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (70451820)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 星間分子 / 星間ダスト / 有機分子 / 荷電粒子 / 分子進化 / 炭素質ダスト分子 / イオン分子衝突 / 化学反応 / 星間物質 / 多環芳香族炭化水素分子 / 新星 / ナノ物質 / 芳香族炭化水素

Outline of Research at the Start

星間空間には星間塵(ダスト）と呼ばれる物質がある。ここには炭素を含む分子が存在し、これらがつねに星から発生する陽子などの荷電粒子によって衝撃を受けている。このような衝撃によって炭素を含む物質がどのように変性するかを理論計算と実験の両面から探る。特に窒素を含む環状炭化水素分子を研究対象として、荷電粒子との相互作用によりどのような変性を受けるかを考え、宇宙空間における分子進化を考えるうえでの一助としたい。

Outline of Annual Research Achievements

宇宙空間における有機物やダストがどのような化学組成をもち、それらが荷電粒子などとの衝突を経て、どのように物質の進化に寄与したか？さらに我々の近傍である太陽系における有機物とどのような関連を持つのか？これらを明らかにするため観測、実験、理論。シミュレーションなどのさまざまな手法を用いた多角的な研究を実施した。
星間空間で水素分子についで多い分子である一酸化炭素（CO)は多くの有機分子の素材となっていると考えられる。そこでCO分子と荷電粒子の衝突で、内部励起と分解がどのように起こるかをモデルとシミュレーションを使って調べた。特に太陽風（または恒星風）の主成分である陽子との衝突の衝撃により分子が解離する過程に着目し、衝突励起解離を起こす閾値エネルギーを評価した。同様な計算をより分子量の大きい有機分子（芳香族炭化水素など）と荷電粒子との衝突現象に適用することを試みている。
星間空間にはダストが普遍的に存在する。これらの物質の同定や形成過程の理解は依然として不十分である。本研究ではマイクロ波電源プラズマ生成装置を用いて、星間ダストの組成を想定した窒素を含有する有機物のダストの合成実験を行なった。分光測定の結果、合成された急冷窒素含有炭素質物質(QNCC)は観測によって得られた古典新星周囲の有機物放射を再現する。この結果により星間ダストにはアミンの形態で窒素が含有される可能性が強く示唆される。
さらに国際宇宙ステーションを利用した炭素質ナノ物質の宇宙環境曝露実験の回収試料の変性に関する分析を進めている。サンプルの組成変成を解釈するために、地上実験との対比とシミュレーションを中心とした理論的な計算を行っている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

令和２年度から令和４年度にかけて、新型コロナウイルスの蔓延にともない、オンライン授業などの作業に多大な労力を費やし、十分な研究時間が確保できなかった。また学会や研究会での情報交換も困難な状況であった。このため理論およびシミュレーションの研究（担当は主に中村）の進行は当初の予定からやや遅延している。令和４年度後半から研究も軌道に乗り始め国際学会等での発表も行えるようになった。令和５年度はこれまでの研究の遅れを挽回すべく鋭意努力したい。
一方、実験および観測に関する研究については（担当は主に左近）ほぼ当初の予定どおり、比較的順調に進行している。

Strategy for Future Research Activity

今後とも観測、実験、理論計算などの多角的な手段を用いた研究を継続していく。
実験的研究の面では実験室で合成されたアミンを含有する有機物の塵である「急冷窒素含有炭素質物質 」(QNCC) を構成する分子およびダストの成分分析を行っていく。このためマイクロ波電源プラズマ生成装置による有機物のダストの合成実験を続け、試料に対して赤外線およびX線を用いた分光学的解析を行う。これらの結果と天体環境において観測される有機物の赤外線放射の特性との比較を行う。並行して核融合科学研究所で実施した有機物ダストへの窒素プラズマとの相互作用に関する実験の結果とも比較する。以上のような研究を通して宇宙の星間有機物のダストに、窒素がどのように取り込まれ、それが分子進化にどのような役割を果たすかを調べる。さらに太陽系内の有機物の塵との進化との関連を考察する。
また本研究での実験結果と国際宇宙ステーションで行った炭素質物質の宇宙暴露実験との結果を比較する。このため理論およびシミュレーションを用いて国際宇宙ステーションを利用した宇宙環境曝実験の結果の解析を行う。衝突シミュレーションを実施するために、窒素炭素間の原子間相互作用を適切なポテンシャル関数で表す。また環状炭素原子に窒素分子が混入した場合での原子間多体ポテンシャルを構築し、これに基づいたシミュレーションを行いたい。
なお本研究の成果を公表するにあたってに学術論文発表のみならず、その一部を一般の方（科学を専門としない読者）にも理解してもらえるよう、一般向けの書籍の執筆を計画している。

Research Products

• [Journal Article] Detection of a Broad 8μm feature in the Mid-Infrared Spectrum of WR125 Observved with Subaru/COMICS (2022)
  • Author(s): Endo, I., Lau, R., Sakon, I., Onaka T., Williams, P. M., Shenavrin, V. I.
  • Journal Title: Astrophysical Journal Volume: 930 Issue: 2 Pages: 116-116
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac63bd
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Morpho-kinematic Modeling of the Expanding Ejecta of the Extremely Slow Nova V1280 Scorpii (2022)
  • Author(s): Naito, H., Tajitsu, A., Ribeiro, V. A. R. M., Arai, A., Maehara, H., Kouzuma, S., Iijima, T., Okazaki, A. T., Watanabe, M., Takagi, S., Watanabe, F., Sakon, I., Sadakane, K
  • Journal Title: Astrophysical Journal Volume: 932 Issue: 1 Pages: 39-39
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac6c82
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Laboratory Measurements of Stretching Band Strengths of Deuterated Quenched Carbonaceous Composites (2022)
  • Author(s): Mori, T., Onaka, T., Sakon, I., Buragohain, M., Takahata, N., Nano, Y., Pathak, A.,
  • Journal Title: Astrophysical Journal Volume: 933 Issue: 1 Pages: 35-35
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac71ae
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Theoretical study of infrared spectra of interstellar PAH molecules with N, NH & NH2 incorporation (2022)
  • Author(s): A. Vats, A. Pathak, T. Onaka, M. Buragohain, I. Sakon, and I. Endo
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 74 Issue: 1 Pages: 161-174
  • DOI: 10.1093/pasj/psab116
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Near-infrared Spectroscopy of a Massive Young Stellar Object in the Direction toward the Galactic Center: XCN and Aromatic C-D Features (2022)
  • Author(s): Onaka, T., Sakon, I., Shimonishi, T.
  • Journal Title: Astrophysical Journal Volume: 941 Issue: 2 Pages: 190-190
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac9b15
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Profile of energy-loss spectrum in impulsive ion collision with heteronuclear diatomic molecules (2022)
  • Author(s): Masato Nakamura
  • Journal Title: Journal of Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 5
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.054301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] On the nature of organic dust in novae (2021)
  • Author(s): I. Endo, I. Sakon, T. Onaka, Y. Kimura, S. Kimura, S. Wada, L. A. Helton, R. M. Lau, Y. Kebukawa, Y. Muramatsu, N. O. Ogawa, N. Ohkouchi, M. Nakamura, and S. Kwok
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 917 Issue: 2 Pages: 103-103
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0cf1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Origins Space Telescope mission concept study team J. of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, (2021)
  • Author(s): I.Sakon, T.L.Roellig, K.A.Ennico-Smith, T.Matsuo, Y.Ikeda, T.Yamamuro, K.Enya, T.Wada, M.Kawada, A.Takahashi, Y. Sarugaku, N.Fujishiro, N.Murakami, J.Nishikawa, T.Kotani, S.Goda, M.Ido, S.Itoh, T.Tsuboi, T.Sumi, M.Kamiura, T.Manome, N.Iida, K.Yanagibashi, T.P.Greene, B.P.Helvensteijn, L.Hofland, R.R.Johnson,他5名
  • Journal Title: J. of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems Volume: 7 Issue: 01 Pages: 011013-011013
  • DOI: 10.1117/1.jatis.7.1.011013
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quenched Nitrogen-included Carbonacrous Composite (QNCC): A powerful candidate for the carriers of the UIR bands in classical novae (2020)
  • Author(s): I. Endo, I. Sakon, T. Onaka, A. L. Helton, R. M. Lau, S. Kimura, S. Wada, N. Ogawa, N. Ohkouchi, and Y. Kebukawa
  • Journal Title: Proceedings of the IAU Symposium Volume: 15 Issue: S350 Pages: 425-426
  • DOI: 10.1017/s1743921319006409
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Collisional excitation and dissociation of CO molecules by ion impacts and applications to astrophysics (2023)
  • Author(s): Masato Nakamura
  • Organizer: DPG Spring Meeting of the Atomic, Molecular, Quantum Optics and Photonics Section (SAMOP)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 星間ダストを構成する分子と荷電粒子との衝突 (2023)
  • Author(s): 中村正人 左近樹
  • Organizer: ナノ学会
• [Presentation] 宇宙における物質の形成と進化 (2023)
  • Author(s): 左近 樹、遠藤いずみ、妹尾梨子、尾中敬、宮田隆志、癸生川陽子、小林憲正、矢野創、三田肇、木村勇気、中村正人、小林政弘、中村浩章
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • Invited
• [Presentation] Collisional excitation and dissociation of CO molecule by proton impact: application to astrophyics and astrochemistry (2022)
  • Author(s): Masato Nakamura
  • Organizer: The 23rd European Conference on the Dynamics of Molecular Systems (MOLEC 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 荷電粒子と一酸化炭素分子の衝突による振動回転励起と解離過程 (2022)
  • Author(s): 中村正人
  • Organizer: 原子衝突学会
• [Presentation] Towards the identification of carriers of the unidentified infrared (UIR) bands in novae (2021)
  • Author(s): Izumi Endo, Itsuki Sakon, Tak ashi Onaka, Yuki Kimura, Seiji Kimura, Setsuko Wada, L. Andrew Helton, Ryan M. Lau, Yoko Kebukawa, Yasuji Muramatsu, Nanako O. Ogawa, Naohiko Ohkouchi, Masato Nakamura and Sun Kwok
  • Organizer: The Origin of Outflows in Evolved Stars IAU Symposium No. 366, 2021 Virtual Meeting, 1-5 November 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nitrogen inclusion in organic dust in novae revealed by laboratory synthesis of Quenched Nitrogen-included Carbonaceous Composite (QNCC) (2021)
  • Author(s): I. Endo, I. Sakon, T. Onaka, Y. Kimura, S. Kimura, S. Wada, L. A. Helton, R. M. Lau, Y. Kebukawa, Y. Muramatsu, N. O. Ogawa, N. Ohkouchi, M. Nakamura, and S. Kwok
  • Organizer: Workshop on Interstellar Matter 2021
  • Int'l Joint Research