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, 特任教授 (00256801)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 左近 樹 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70451820)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• 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: 一酸化炭素分子 / PAH（芳香族炭化水素分子） / 星間塵 / 化学反応 / イオン分子反応 / 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 / 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

星間空間には紫外線領域に星間塵による吸収に起因すると思われる減光のピークがある。この吸収の原因物質として多環芳香族炭化水素（PAH）分子、炭素鎖分子、フラーレン、などが挙げられている。これらの有機物が星間空間に存在する有機物やダストが荷電粒子などとの衝突を経て、どのように変性するか？それに伴い物質の進化にどのように寄与したかを明らかにするため観測、実験、理論計算、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一酸化炭素分子（CO)は多くの有機分子の素材となっていると考えられる。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。また重水素やヘリウムイオンが衝突した場合の解離の閾値エネルギーなどにも評価を行った。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）との衝突現象に適用することを試みている。
実験室で合成した窒素を含む有機物である急冷窒素炭素質物質に関する特性を調べる実験を行った。高温真空昇華脱離法(TPD)を用いた分析を行い、アミンを含めた化学結合の内包状態を調べた。核融合研のLHDプラズマを利用した実験室有機物の変性実験に着手した。この結果、急冷窒素含有炭素質物質はsp3結合の骨格を持ち、アミン修飾された物質と近い構造を持つことがわかった。実験からは、プラズマとの相互作用のために、赤外線の6-9マイクロメートル帯のバンド強度が10-14マイクロメートル帯に比べて低下する現象を捉えた。この発見と楕円銀河中に観測される未同定赤外バンドとの類似性を議論した。現在その理論的考察と合わせて成果を取りまとめている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

令和2年度から約3年間の間、新型コロナウイルス蔓延のため大学が長期間閉鎖された。オンライン授業等の準備のために多くの時間を費やし、研究時間の確保が難しかった。また対面で研究に関する打ち合わせを行うことも困難であった。状況が改善した令和5年度は遅れを挽回すべく鋭意努力した。急冷窒素炭素質物質に関する特性を調べる実験についてはかなり進行した。またダスト表面に吸着した一酸化炭素分子の脱離に関するモデル計算も開始した。計算機のプログラム開発や実験装置の調整にやや難航し予定より若干の時間を要している。令和6年度はこれまでの遅れを回復するとともに、令和5年度に開始した研究（急冷窒素炭素質物質の物性の評価および一酸化炭素分子の脱離に関する研究）を引き続き進行させることを計画している。さらに最終的な研究結果をまとめ、論文および学会発表を通して報告を行う予定である。

Strategy for Future Research Activity

今後とも星間ダストと荷電粒子の相互作用について観測、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。
実験的に合成し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う。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。
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は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] 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] Collisional excitation and dissociation of dust molecules and nanoparticles by ion impacts in space and laboratories (2023)
  • Author(s): Masato Nakamura and Itsuki Sakon
  • Organizer: International Symposium on Small Particles and Inorganic Clusters
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙の有機物の塵の性質と役割の理解 (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] 高温真空昇温脱離法 (TPD) を用いた模擬星間有機物ダストの化学構造の分析 (2023)
  • Author(s): 妹尾梨子、左近 樹
  • Organizer: 日本天文学会2023年秋季年会
• [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] 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