ラジカルの拡散が活性化させる星間塵表面での分子進化：複雑有機分子生成の鍵

• Project/Area Number: 22H00159
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 渡部 直樹 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (50271531)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 柘植 雅士 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (60454211) ; Sameera W.M.C. 北海道大学, 低温科学研究所, 外国人客員研究員 (90791278)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥40,170,000 (Direct Cost: ¥30,900,000、Indirect Cost: ¥9,270,000); Fiscal Year 2025: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2024: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000); Fiscal Year 2023: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
• Keywords: 星間塵 / 分子進化 / ラジカル / 表面拡散

Outline of Research at the Start

天文観測の著しい発展により，惑星系形成領域において複雑な有機分子を含む様々な分子が発見されつつある。さらに，惑星系に応じて多様な化学組成をもつことが明らかになっており，この領域における豊かな分子進化の一端が見えてきた。その分子進化の鍵を握るのが，温度上昇などに伴う星間塵における活発な分子生成である。本研究は，星間塵表面において活発化する，分子進化に決定的な役割を果たすラジカル種の拡散および複雑有機分子生成過程を世界に先駆けて実験により明らかにする。様々な実験手法により，従来の手法では研究できなかった，星間塵表面での反応性の高い重いラジカルの拡散と複雑分子生成過程の詳細を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

真空槽中に擬似的な星間塵表面（アモルファス氷）を作製し，そこに紫外線を照射しOHラジカルを作製した。氷表面の微量なOHラジカルを光刺激脱離-共鳴多光子イオン化法を用いて検出した。OH検出量は氷の温度に依存しており，その温度依存性からOHの氷表面拡散の活性化エネルギーを世界で初め導き出した。得られた結果を分子雲環境に適用すると，氷星間塵表面全体をOHラジカルが動き回り反応を誘起する，つまり分子進化が活性化する温度領域は，およそ36 Kであることが分かった。

量子化学計算の手法により，星間塵表面に存在度が高いと思われるラジカル種（OH，HCO， CH3， CH3O）と氷表面の結合エネルギーを導出した。結合エネルギーは，同じ化学種であっても氷表面の吸着サイトによって大きく異なり，氷表面における多様な振る舞いの一因になり得ることが分かった。星間塵表面で生じていると思われるOCS + HおよびPH3 + D反応の活性化エネルギーについても，氷表面では気相反応とは異なる値が得られ，氷に緩く結合した分子の反応であっても，氷表面の影響は無視できないことが分かった。

独自に開発したCs+イオンピックアップ法を用い，氷表面におけるCH3OH＋OH反応の実験を行った。反応生成物として，CH3OおよびCH2OHが生成することが分かった。また，２つの生成物に対応した氷表面反応の活性化エネルギーを量子化学計算で求めた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初予定していた氷表面におけるOHラジカルの拡散に関する活性化エネルギーを実験的に決定することに成功した。この成果は，すでに天文学の専門誌Astrophysical Journal Lettersで発表している。CH3OH＋OH--> CH3O + H2O, CH2OH + H2Oの２つの氷表面反応に関する活性化エネルギーを量子化学計算で求め，今後行う当該反応実験と比較する事が可能になった。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度に，星間塵表面にもっとも存在度が高いと思われるOHラジカルの振る舞いを明らかにすることができたので，令和5年度からは炭素（C）原子や硫黄(S）原子およびそれらを含むラジカルの表面拡散や反応についての研究を遂行する。氷表面のこれらの化学種に対してPSD-REMPI法，およびCs+イオンピックアップ法でアプローチし，最適な実験手法を調べることから始める。

Research Products

• [Journal Article] Surface Reaction of Methyl Mercaptan (CH₃SH) with Hydrogen Atoms on Amorphous Solid Water (2023)
  • Author(s): Nguyen Thanh、Oba Yasuhiro、Sameera W. M. C.、Furuya Kenji、Kouchi Akira、Watanabe Naoki
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 944 Issue: 2 Pages: 219-219
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acafde
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct Determination of the Activation Energy for Diffusion of OH Radicals on Water Ice (2022)
  • Author(s): Miyazaki A.、Tsuge M.、Hidaka H.、Nakai Y.、Watanabe N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 940 Issue: 1 Pages: L2-L2
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac9d30
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diffusion Activation Energy and Desorption Activation Energy for Astrochemically Relevant Species on Water Ice Show No Clear Relation (2022)
  • Author(s): Furuya Kenji、Hama Tetsuya、Oba Yasuhiro、Kouchi Akira、Watanabe Naoki、Aikawa Yuri
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 933 Issue: 1 Pages: L16-L16
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac78e9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chemical and Physical Characterization of the Isolated Protostellar Source CB68: FAUST IV (2022)
  • Author(s): Imai Muneaki、Oya Yoko、Svoboda Brian、Liu Hauyu Baobab、Lefloch Bertrand、Viti Serena、Zhang Yichen、Ceccarelli Cecilia、Codella Claudio、Chandler Claire J.、Sakai Nami ... Nomura Hideko ... Yamamoto Satoshi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 934 Issue: 1 Pages: 70-70
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac77e7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Penetration of Nonenergetic Hydrogen Atoms into Amorphous Solid Water and their Reaction with Embedded Benzene and Naphthalene (2022)
  • Author(s): Masashi Tsuge, Akira Kouchi, Naoki Watanabe
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 933 Issue: 2 Pages: 138-138
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac752e
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modelling the radical chemistry on ice surfaces: an integrated quantum chemical and experimental approach (2022)
  • Author(s): W. M. C. Sameera, B. Senevirathne, T. Nguyen, Y. Oba, A. Ishibashi, M. Tsuge, H. Hidaka, N. Watanabe
  • Journal Title: Front. Astron. Space Sci. Volume: 9 Pages: 1-7
  • DOI: 10.3389/fspas.2022.890161
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 氷表面におけるOHラジカル表面拡散の活性化エネルギーの測定 (2022)
  • Author(s): 渡部 直樹
  • Organizer: H2Oを科学する2022
• [Presentation] Recent progress in experiments on nonenergetic surface processes (2022)
  • Author(s): Naoki Watanabe
  • Organizer: Symposium on Next Generation Astrochemistry
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Direct determination of the activation energy for diffusion of OH radicals on water ice (2022)
  • Author(s): Naoki Watanabe
  • Organizer: Sapporo-Colombo-Gothenburg Astrochemistry meeting 2022
• [Presentation] 低温アモルファス氷表面で生じる OH による CH3OH の水素原子引き抜き反応：反応分岐比の実験的決定 (2022)
  • Author(s): 石橋 篤季，日高 宏，W. M. C. Sameera, 大場 康弘，渡部直樹
  • Organizer: 原子衝突学会第47回年会
• [Presentation] 異性体分離検出機能を持つ Cs＋ピックアップ質量分析装置の開発 (2022)
  • Author(s): 日高 宏，石橋 篤季，渡部 直樹
  • Organizer: 原子衝突学会第47回年会
• [Presentation] 超高真空極低温非接触 原子間力顕微鏡によるアモルファス氷の表面形状測定 (2022)
  • Author(s): 都丸琢斗，日高 宏，渡部 直樹
  • Organizer: 原子衝突学会第47回年会
• [Presentation] 低エネルギーイオンと氷表面との反応実験 (2022)
  • Author(s): 中井陽一, 日高宏, 渡部直樹
  • Organizer: 原子衝突学会第47回年会
• [Presentation] 星間塵表面における水素分子のオルソーパラ転換過程 (2022)
  • Author(s): 柘植雅士, 香内晃, 渡部直樹
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] Development of highly sensitive detection method for adsorbates on water ice: revealing the role of radicals in molecular formation (2022)
  • Author(s): Atsuki Ishibashi, Hiroshi Hidaka, Yasuhiro Oba, Akira Kouchi, Naoki Watanabe
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Negative charge delivery in ice at 10 K: the role of surface OH radicals (2022)
  • Author(s): Naoki Watanabe, Kensei Kitajima, W.M.C. Sameera, Masashi Tsuge, Hiroshi Hidaka, Yoichi Nakai
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Surface morphology measurements of amorphous solid water by FM-AFM (2022)
  • Author(s): Hiroshi Hidaka, Takuto Tomaru, Akira Kouchi, Naoki Watanabe
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ortho-to para nuclear spin conversion of H2 on bare interstellar dust analogs: amorphous-silicate, diamond-like carbon, and graphite (2022)
  • Author(s): Masashi Tsuge, Akira Kouchi, Naoki Watanabe
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress
• [Presentation] Experimental studies on the behavior of hydrogen on bare grain surfaces and within icy grains (2022)
  • Author(s): Masahi Tsuge, Akira Kouchi, Naoki Watanabe
  • Organizer: CHEMISTRY AND PHYSICS AT LOW TEMPERATURES CPLT2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Negative charge delivery in ice at 10 K: the role of surface OH radicals (2022)
  • Author(s): Naoki Watanabe, Kensei Kitajima, Yoichi Nakai, Masashi Tsuge, Hiroshi Hidaka, W. M. C Sameera
  • Organizer: CHEMISTRY AND PHYSICS AT LOW TEMPERATURES CPLT2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Photostimulated desorption of OH radicals from ice surface: how the photon energy dissipates in visible region (2022)
  • Author(s): Naoki Watanabe
  • Organizer: International Lorentz Center Workshop: Energy Dissipation at Interfaces: From Catalysis to Astrochemistry
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 北海道大学低温科学研究所宇宙物質科学・宇宙雪氷学グループ
  • URL: http://www.lowtem.hokudai.ac.jp/astro/index.html