2021 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical astrochemistry based on microscopic processes in the gas and solid phases
| 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 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)
古家 健次 国立天文台, 科学研究部, 特任助教 (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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| Keywords | アストロケミストリー / リングポリマー分子動力学 / 反応経路探索法 / 原始惑星系円盤 / 同位体分別 / 原始星 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ミクロチームは機械学習を応用したポテンシャルエネルギー曲面(PES)の作成法を開発した。反応経路探索法を用いて、PES上のエネルギーの低い反応経路上の分子構造およびその微分を効率的にサンプリングし、初期ポテンシャル曲面を作成する方法を提案した。さらに得られた初期ポテンシャル曲面を改良することで、精度の高いPESが作成できることが分かった。作成されたPESを使ってリングポリマー分子動力学を適用し、星間分子で重要な反応の反応速度や分岐比を計算する研究スキームを確立した。また、有機分子における光化学反応の機構を明らかにするために、時間依存密度汎関数理論に基づいた励起状態PESの量子化学計算を行った。
マクロチームはHS + H → H2Sなどの反応性脱離の実験を動的モンテカルロ法でシミュレートした。その結果各反応一回当たりの反応性脱離確率を求め、反応熱の約7%が生成物の並進運動エネルギーに転換されると脱離確率が説明できることを示した。
原始惑星系円盤については、高空間分解能輝線観測大型プロジェクトの結果が計20本の論文として出版された。特に我々は重水素同位体および電離度に関わる分子の解析を行い、理論モデルとの比較も行った。さらにHC18O+分子を円盤で初検出し、酸素同位体分別の環境依存性について知見を得た。原始惑星系円盤の輻射流体力学計算では、水素分子の解離と紫外光パンピングによる加熱効果がガス流出に及ぼす影響を定量的に明らかにした。円盤内のダスト/ガス質量比を数桁にわたって大きく変えた計算を行い、紫外光パンピングの効果が卓越するパラメタ領域を求めた。
原始星天体については、昨年度作成した数値計算コードを用い分子雲コアTMC-1AのCS分子輝線に見られる極端な非対称性を説明する3次元モデルを構築した。また流体計算と反応ネットワークを組み合わて原始星コアの重水素濃縮を調べ、水の重水比が原始星コア以前の段階で決まっていることを示した。
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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
・星間分子で重要な反応の反応速度や分岐比を計算する研究スキームを確立できた。
・従来現象論的な議論にとどまっていた反応性脱離について、実験結果を数値計算で再現することにより、定量的な理解を一歩進めることができた。
・原始惑星系円盤の高空間分解能輝線観測の結果を理論モデルとの比較も含めて論文にまとめた。
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| Strategy for Future Research Activity |
機械学習と反応経路探索法を使ってポテンシャルエネルギー曲面を開発する方法を、さらに他の星間化学反応へと適用する必要がある。特にどれくらい複雑な化学反応まで適用できるかの検討を行うことが急務である。光解離反応については、分子雲でよく観測されるc-C3H2を例としてさらに詳細な量子化学計算を行う。時間依存密度汎関数理論では正しく取り扱えないポテンシャル間の交差を計算するため、CASSCF法などの多配置の分子軌道法を採用する。
原始惑星系円盤については、鉛直方向のガス・氷ダスト物質輸送および気相・固相化学反応を考慮した円盤化学モデルを開発を進め、円盤の元素組成空間分布の時間発展を理論的に明らかにする。
原始星周辺の非軸対称な流れはstreamerと呼ばれ、近年複数の天体で発見されて注目を集めている。TMC-1A以外の天体についても、今年度行った研究と同様のモデル設定により説明できないか検討を続ける。また数値計算精度の向上も目指す。
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[Journal Article] The ALMA Survey of 70 μm Dark High-mass Clumps in Early Stages (ASHES). V. Deuterated Molecules in the 70 μm Dark IRDC G14.492-00.1392022
Author(s)
Sakai Takeshi, Sanhueza Patricio, Furuya Kenji, Tatematsu Ken’ichi, Li Shanghuo, Aikawa Yuri, Lu Xing, Zhang Qizhou, Morii Kaho, Nakamura Fumitaka, Takemura Hideaki, Izumi Natsuko, Hirota Tomoya, Silva Andrea, Guzman Andres E., Sakai Nami, Yamamoto Satoshi
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Journal Title
The Astrophysical Journal
Volume: 925
Pages: 144～144
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Misaligned Rotations of the Envelope, Outflow, and Disks in the Multiple Protostellar System of VLA 1623?2417: FAUST. III2022
Author(s)
Ohashi Satoshi, Codella Claudio, Sakai Nami, Chandler Claire J., Ceccarelli Cecilia, Alves Felipe, Fedele Davide, Hanawa Tomoyuki, Duran Aurora, Favre Cecile, Lopez-Sepulcre Ana, Loinard Laurent, Mercimek Seyma, Murillo Nadia M., Podio Linda, Zhang Yichen, Aikawa Yuri et al.
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Journal Title
The Astrophysical Journal
Volume: 927
Pages: 54～54
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Is There Any Linkage between Interstellar Aldehyde and Alcohol?2021
Author(s)
Mondal Suman Kumar, Gorai Prasanta, Sil Milan, Ghosh Rana, Etim Emmanuel E., Chakrabarti Sandip K., Shimonishi Takashi, Nakatani Naoki, Furuya Kenji, Tan Jonathan C., Das Ankan
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Journal Title
The Astrophysical Journal
Volume: 922
Pages: 194～194
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] High Spatial Resolution Observations of Molecular Lines toward the Protoplanetary Disk around TW Hya with ALMA2021
Author(s)
Nomura Hideko, Tsukagoshi Takashi, Kawabe Ryohei, Muto Takayuki, Kanagawa Kazuhiro D., Aikawa Yuri, Akiyama Eiji, Okuzumi Satoshi, Ida Shigeru, Lee Seokho, Walsh Catherine, Millar T. J.
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Journal Title
The Astrophysical Journal
Volume: 914
Pages: 113～113
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS). II. CLEAN Strategies for Synthesizing Images of Molecular Line Emission in Protoplanetary Disks2021
Author(s)
Czekala Ian, Loomis Ryan A., Teague Richard, Booth Alice S., Huang Jane, Cataldi Gianni, Ilee John D., Law Charles J., Walsh Catherine, Bosman Arthur D., Guzman Viviana V., Le Gal Romane, Oberg Karin I., Yamato Yoshihide, Aikawa Yuri, Andrews Sean M. et al.
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Journal Title
The Astrophysical Journal Supplement Series
Volume: 257
Pages: 2～2
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS). V. CO Gas Distributions2021
Author(s)
Zhang Ke, Booth Alice S., Law Charles J., Bosman Arthur D., Schwarz Kamber R., Bergin Edwin A., Oberg Karin I., Andrews Sean M., Guzman Viviana V., Walsh Catherine, Qi Chunhua, van ’t Hoff Merel L. R., Long Feng, Wilner David J., Huang Jane, Czekala Ian, Ilee John D., Cataldi Gianni et al.
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Journal Title
The Astrophysical Journal Supplement Series
Volume: 257
Pages: 5～5
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS). XII. Inferring the C/O and S/H Ratios in Protoplanetary Disks with Sulfur Molecules2021
Author(s)
Le Gal Romane, Oberg Karin I., Teague Richard, Loomis Ryan A., Law Charles J., Walsh Catherine, Bergin Edwin A., Menard Francois, Wilner David J., Andrews Sean M., Aikawa Yuri, Booth Alice S., Cataldi Gianni, et al.
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Journal Title
The Astrophysical Journal Supplement Series
Volume: 257
Pages: 12～12
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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