星間ダスト分子と荷電粒子との相互作用およびそれにともなう分子進化のメカニズム

• 研究課題/領域番号: 20K04028
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分16010:天文学関連
• 研究機関: 日本大学
• 研究代表者: 中村 正人 日本大学, 理工学部, 特任教授 (00256801)
• 研究分担者: 左近 樹 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70451820)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [雑誌論文] Detection of a Broad 8μm feature in the Mid-Infrared Spectrum of WR125 Observved with Subaru/COMICS (2022)
  • 著者名/発表者名: Endo, I., Lau, R., Sakon, I., Onaka T., Williams, P. M., Shenavrin, V. I.
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 930 号: 2 ページ: 116-116
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac63bd
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Morpho-kinematic Modeling of the Expanding Ejecta of the Extremely Slow Nova V1280 Scorpii (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 932 号: 1 ページ: 39-39
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac6c82
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Laboratory Measurements of Stretching Band Strengths of Deuterated Quenched Carbonaceous Composites (2022)
  • 著者名/発表者名: Mori, T., Onaka, T., Sakon, I., Buragohain, M., Takahata, N., Nano, Y., Pathak, A.,
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 933 号: 1 ページ: 35-35
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac71ae
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Theoretical study of infrared spectra of interstellar PAH molecules with N, NH & NH2 incorporation (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Vats, A. Pathak, T. Onaka, M. Buragohain, I. Sakon, and I. Endo
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 74 号: 1 ページ: 161-174
  • DOI: 10.1093/pasj/psab116
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Near-infrared Spectroscopy of a Massive Young Stellar Object in the Direction toward the Galactic Center: XCN and Aromatic C-D Features (2022)
  • 著者名/発表者名: Onaka, T., Sakon, I., Shimonishi, T.
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 941 号: 2 ページ: 190-190
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac9b15
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Profile of energy-loss spectrum in impulsive ion collision with heteronuclear diatomic molecules (2022)
  • 著者名/発表者名: Masato Nakamura
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 91 号: 5
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.054301
  • 査読あり
• [雑誌論文] On the nature of organic dust in novae (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 917 号: 2 ページ: 103-103
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0cf1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mid-infrared spectrometer and camera for the Origins Space Telescope (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: J. of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 7 号: 1 ページ: 011013-011013
  • DOI: 10.1117/1.jatis.7.1.011013
  • URL: https://pure.teikyo.jp/en/publications/cf1af4da-58e2-4a37-8404-485391250b68
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quenched Nitrogen-included Carbonacrous Composite (QNCC): A powerful candidate for the carriers of the UIR bands in classical novae (2020)
  • 著者名/発表者名: I. Endo, I. Sakon, T. Onaka, A. L. Helton, R. M. Lau, S. Kimura, S. Wada, N. Ogawa, N. Ohkouchi, and Y. Kebukawa
  • 雑誌名: Proceedings of the IAU Symposium 巻: 15 号: S350 ページ: 425-426
  • DOI: 10.1017/s1743921319006409
  • オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 星間ダストを構成する分子と荷電粒子との衝突 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中村正人 左近樹
  • 学会等名: ナノ学会
• [学会発表] Collisional excitation and dissociation of dust molecules and nanoparticles by ion impacts in space and laboratories (2023)
  • 著者名/発表者名: Masato Nakamura and Itsuki Sakon
  • 学会等名: International Symposium on Small Particles and Inorganic Clusters
  • 国際学会
• [学会発表] 宇宙の有機物の塵の性質と役割の理解 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 妹尾梨子、左近 樹
  • 学会等名: 日本天文学会2023年秋季年会
• [学会発表] Collisional excitation and dissociation of CO molecules by ion impacts and applications to astrophysics (2023)
  • 著者名/発表者名: Masato Nakamura
  • 学会等名: DPG Spring Meeting of the Atomic, Molecular, Quantum Optics and Photonics Section (SAMOP)
  • 国際学会
• [学会発表] 宇宙における物質の形成と進化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • 招待講演
• [学会発表] Collisional excitation and dissociation of CO molecule by proton impact: application to astrophyics and astrochemistry (2022)
  • 著者名/発表者名: Masato Nakamura
  • 学会等名: The 23rd European Conference on the Dynamics of Molecular Systems (MOLEC 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 中村正人
  • 学会等名: 原子衝突学会
• [学会発表] Towards the identification of carriers of the unidentified infrared (UIR) bands in novae (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The Origin of Outflows in Evolved Stars IAU Symposium No. 366, 2021 Virtual Meeting, 1-5 November 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Nitrogen inclusion in organic dust in novae revealed by laboratory synthesis of Quenched Nitrogen-included Carbonaceous Composite (QNCC) (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter 2021
  • 国際学会