氷星間塵内部における新たな反応過程：原子の侵入・拡散・反応

• 研究課題/領域番号: 21H01139
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17010:宇宙惑星科学関連
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 柘植 雅士 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (60454211)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円); 2023年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2021年度: 14,560千円 (直接経費: 11,200千円、間接経費: 3,360千円)
• キーワード: 原子拡散 / 化学進化 / 氷星間塵 / 星間分子雲 / 炭素原子 / 表面拡散 / 水素原子拡散 / 分子進化 / 水素原子反応 / PAH

研究開始時の研究の概要

極低温の星間分子雲では、氷で覆われた星間塵（氷星間塵）上での表面反応が分子進化の鍵と考えられ、星間分子生成に関する様々な研究がされてきた。近年、研究代表者らは氷内部における水素原子の活発な化学反応を見いだした。氷内部反応では、これまで考えられていたより高温でも分子生成が可能になるなど、表面反応とは異なる多くの特徴が見られた。本研究ではおもに水素原子を中心に、様々な分子生成に関する氷内部反応を定量的な実験で調べ、反応経路、反応生成物、生成可能温度などの知見を得る。取得された結果をもとに、従来の分子進化モデルへの影響を評価する。

研究成果の概要

極低温の星間分子雲において原子や単純な分子から複雑な分子が生成される初期化学進化過程では、氷で覆われた星間塵（氷星間塵）表面での化学反応が重要な役割を果たすことが知られている。研究代表者らは2020年度までに「氷内部へ水素原子が侵入すること」を見出した。そこで本研究では水素原子の侵入深度の氷構造依存性を明らかにし、他の原子種が同様に氷内部へ侵入することが可能かどうか調べることを目的とした。
本研究により、多孔質の非晶質氷では30 nm以上、星間分子雲で重要な無孔性の氷では2-3 nm程度の深さまで水素原子が侵入することがわかった。また、炭素原子が氷表面を拡散し、氷内部へ侵入しうることを見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

星間分子雲内での標準的な化学進化モデルでは、氷表面に吸着する原子種は氷内部における分子生成に影響を与えないとされてきた。我々が見出した「氷内部への原子の侵入」という全く新しい反応プロセスは「光や宇宙線を必要としない氷内部の分子進化プロセス」と言い換えることができ、既存の極低温分子雲における分子進化モデルに大きな変更を要請するという学術的意義を持つ。
本研究で、一部の炭素原子は極低温の条件下でも氷表面を動き回ることを明らかした。本発見は、氷微粒子上で炭素原子が様々な分子種と化学反応を起こし大きな有機分子を生成しうることを示唆しており、宇宙における複雑有機分子形成メカニズムの解明に大きく寄与する。

研究成果

• [国際共同研究] 国立陽明交通大学（台湾）(その他の国・地域)
• [雑誌論文] Radical reactions on interstellar icy dust grains: Experimental investigations of elementary processes (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsuge Masashi、Watanabe Naoki
  • 雑誌名: Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｊａｐａｎ Ａｃａｄｅｍｙ． Ｓｅｒ． Ｂ： Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ 巻: 99 号: 4 ページ: 103-130
  • DOI: 10.2183/pjab.99.008
  • ISSN: 0386-2208, 1349-2896
  • 年月日: 2023-04-28
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Surface diffusion of carbon atoms as a driver of interstellar organic chemistry (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsuge Masashi, Molpeceres German, Aikawa Yuri, Watanabe Naoki
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 7 号: 11 ページ: 1351-1358
  • DOI: 10.1038/s41550-023-02071-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Infrared spectra of isoquinolinium (iso-C9H7NH+) and isoquinolinyl radicals (iso-C9H7NH and 1-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- and 8-iso-HC9H7N) isolated in solid para-hydrogen (2023)
  • 著者名/発表者名: Joshi Prasad Ramesh、Tsuge Masashi、Tseng Chih-Yu、Lee Yuan-Pern
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 25 号: 17 ページ: 11934-11950
  • DOI: 10.1039/d3cp00246b
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Penetration of Nonenergetic Hydrogen Atoms into Amorphous Solid Water and their Reaction with Embedded Benzene and Naphthalene (2022)
  • 著者名/発表者名: Masashi Tsuge, Akira Kouchi, Naoki Watanabe
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 933 号: 2 ページ: 138-138
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac752e
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Infrared and Laser-Induced Fluorescence Spectra of Sumanene Isolated in Solid para-Hydrogen (2022)
  • 著者名/発表者名: Weber Isabelle、Tsuge Masashi、Sundararajan Pavithraa、Baba Masaaki、Sakurai Hidehiro、Lee Yuan-Pern
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 126 号: 32 ページ: 5283-5293
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.2c02906
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Measurements of ortho-to-para nuclear spin conversion of H2 on low-temperature carbonaceous grain analogs: Diamond-like carbon and graphite (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuge Masashi、 Kouchi Akira、 Watanabe Naoki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 923 号: 1 ページ: 71-71
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac2a33
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Two-Body Metastable Dissociation of <i>n</i>-Pentane and <i>n</i>-Hexane Triplet Dications in Intense Femtosecond-Laser Fields (2021)
  • 著者名/発表者名: Hoshina Kennosuke、Shirota Tatsuro、Tsuge Masashi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 125 号: 43 ページ: 9508-9517
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.1c06567
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transmission Electron Microscopy Study of the Morphology of Ices Composed of H2O, CO2, and CO on Refractory Grains (2021)
  • 著者名/発表者名: Kouchi, A., Tsuge, M., Hama, T., Oba, Y., Okuzumi, S., Sirono, S.-. iti ., Momose, M., Nakatani, N., Furuya, K., Shimonishi, T., Yamazaki, T., Hidaka, H., Kimura, Y., Murata, K.-. ichiro ., Fujita, K., Nakatsubo, S., Tachibana, S., & Watanabe, N.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 918 号: 2 ページ: 45-45
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0ae6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Experimental Investigations on the Behavior of Carbon Atoms on Amorphous Solid Water (2024)
  • 著者名/発表者名: Tsuge Masashi、Molpeceres German、Aikawa Yuri、Watanabe Naoki
  • 学会等名: Laboratory Astrophysics Workshop (ICE 2024)
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental investigations on the behavior of free radicals on the surface of icy grain analogues (2024)
  • 著者名/発表者名: Tsuge Masashi、Watanabe Naoki
  • 学会等名: International Conference on Key Intermediates in Atmospheric Chemistry and Astrochemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Penetration of nonenergetic hydrogen atoms into amorphous solid water and their reactions with embedded molecules (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsuge Masashi、Kouchi Akira、Watanabe Naoki
  • 学会等名: 2023 Kavli-IAU Astrochemistry Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Energy dissipation upon the ortho-to-para conversion of H2 on low temperature interstellar grain surfaces: Amorphous silicate, diamond-like carbon, and amorphous solid water (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsuge Masashi、Kouchi Akira、Watanabe Naoki
  • 学会等名: 2023 Kavli-IAU Astrochemistry Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Diffusive hydrogenation of molecules embedded in amorphous solid water (2022)
  • 著者名/発表者名: Masashi Tsgue
  • 学会等名: Symposium on Next Generation Astrochemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Production of isoquinolinium (iso-C9H7NH+) and isoquinolinyl radical (iso-C9H7NH, 1-iso-HC9H7N, and 3- to 8-iso-HC9H7N in solid para-hydrogen (2022)
  • 著者名/発表者名: Prasad Ramesh Joshi, Masashi Tsuge, Chih-Yu Tseng, Yuan-Pern Lee
  • 学会等名: The 6th Asian Workshop on Molecular Spectroscopy
  • 国際学会
• [学会発表] 星間塵表面における水素分子のオルソ―パラ転換過程 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柘植雅士、香内晃、渡部直樹
  • 学会等名: 第16回分子科学討論会
• [学会発表] Ortho-to-para Nuclear Spin Conversion of H2 on Bare Interstellar Dust Analogs: Amorphous-silicate, Diamond-like Carbon, and Graphite (2022)
  • 著者名/発表者名: Masashi Tsuge, Akira Kouchi, Naoki Watanabe
  • 学会等名: THE 22ND INTERNATIONAL VACUUM CONGRESS
  • 国際学会
• [学会発表] 模擬星間塵表面における水素分子の核スピン転換過程：表面フォノンによるエネル ギー散逸 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柘植雅士, 香内晃, 渡部直樹
  • 学会等名: 原子衝突学会第 47 回年会
• [学会発表] Experimental studies on the behavior of hydrogen on bare grain surfaces and within icy grains (2022)
  • 著者名/発表者名: Masashi Tsuge
  • 学会等名: Chemistry and Physics at Low Temperatures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Icy grains are not spherical nor ellipsoidal (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Tsuge, A. Kouchi, T. Hama, Y. Oba, S. Okuzumi, S.-i. Sirono, M. Momose, N. Nakatani, K. Furuya, T. Shimonishi, T. Yamazaki, H. Hidaka, Y. Kimura, K.-i. Murata, S. Tachibana, N. Watanabe
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ortho-to-para nuclear spin conversion of H2 on interstellar bare grain analogues (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Tsuge, T. Namiyoshi, K. Furuya, A. Kouchi, N. Watanabe
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter
  • 国際学会
• [学会発表] Diffusive hydrogenation of CO embedded in amorphous solid water at temperature up to 70 K (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Tsuge, H. Hidaka, A. Kouchi, N. Watanabe
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental studies on the behavior of hydrogen on bare grain surfaces (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Tsuge
  • 学会等名: Astrochemical Frontiers
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会・シンポジウム開催] The 7th Asian Workshop on Molecular Spectroscopy (2023)