有機物合成実験と量子化学計算による星間核酸塩基前駆体の形成過程の検証

• 研究課題/領域番号: 22KJ2625
• 補助金の研究課題番号: 22J22889 (2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分16010:天文学関連
• 研究機関: 大阪公立大学
• 研究代表者: 米津 鉄平 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 2024年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: プラズマ放電 / 有機物合成実験 / ミリ波-テラヘルツ波分光診断 / 量子化学計算 / 電波天文 / 星間化学 / 星間分子 / 超伝導デバイス / ミリ波-テラヘルツ波分光

研究開始時の研究の概要

原始地球に存在した分子から生体高分子の形成が進む可能性がある一方、星間空間で形成された有機分子が地球に運ばれ、地球上での生体高分子形成の供給源となり生命の誕生に影響を与えた可能性も示唆されている。そのため、星間空間での核酸塩基などの有機分子の形成過程の解明は、ハビタブルな環境を探るための重要なアプローチとなる。本研究では、星間空間を模した有機物合成実験と、量子化学計算による反応経路探索により、星間核酸塩基の形成過程の解明に向けて、アデニン前駆体の形成過程の検証を行う。また、実験環境において検出した分子種を電波望遠鏡により星間空間に対して観測することによって、星間空間における形成過程に迫る。

研究実績の概要

本研究は、プラズマ放電による有機物合成実験に対するミリ波-テラヘルツ波の分光観測、量子化学計算による反応経路探索、電波望遠鏡による星間空間における観測を通して、星間核酸塩基前駆体の星間空間における形成過程を探ることを目的としている。
本年度は、主に量子化学計算による反応経路の探索と抽出、そして、プラズマ放電により形成した有機物の化学分析を推進した。量子化学計算を用いて探索した反応経路網から、活性化エネルギーの条件を設けて反応経路を抽出した。その結果、新たな分子構造と異性化の反応経路が見つかり、これまで星間空間での検出例がある分子構造だけではなく、他の異性体も形成される可能性があることがわかった。また、プラズマ放電により形成した堆積物に含まれる化合物を広範かつ高精度に同定するため、堆積物の測定結果と比較するためのLC/MS分析において検出が予想される標品の判定手法の検討を行った。この新たな手法によって、膨大な異性体がある標品の中から、化合物の特定のための標品を選定することができた。
昨年度行ったプラズマ放電有機物合成実験の実験装置のアップデート/評価と開発したミリ波-テラヘルツ波による新分光システムの解析精度や観測シーケンスの検証も行った。プラズマ放電の条件を変えながら長時間のモニタリング分光を実施した結果、微量分子種のスペクトルから温度や密度などの物理量を得ることに成功した。現在、投稿論文の準備を進めている。また、大型ミリ波望遠鏡LMT(Large Millimeter Telescope)50 m鏡に搭載した2 mm帯超高感度SIS受信機Band 4 Receiver(B4R)を用いて観測されたデータ解析を推進し、ダストプラズマの形成環境と大質量星形成領域の化学的/物理的環境との比較に取り組んだ。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

昨年度、開発を推進した量子化学計算による反応経路探索結果の解析プログラムにより、膨大な反応経路網から反応経路の抽出を行うことができた。現在は、その異性化反応の優位性を検討しており、堆積物の解析結果を踏まえ、形成経路の検証に向けて取り組んでいる。また、プラズマ放電有機物合成実験におけるミリ波-テラヘルツ波の新分光システムにより、異なる条件で放電した有機ダストプラズマ中の微量分子種の温度や密度などの物理量の導出手法を高精度化したため、投稿論文の準備を進めている。

今後の研究の推進方策

Liquid Chromatography /Mass Spectrometry(LC/MS)解析により、形成された堆積物を特定するとともに、改良したヘテロダイン分光システムにより、堆積物の形成過程に介在する微量分子のスペクトル情報から有機ダストプラズマの物理的/化学的環境を明らかにする。これらを踏まえ、量子化学計算により探索した反応経路を検証する。また、大口径単一鏡や干渉計などの電波望遠鏡を用いた観測結果と比較し、星間環境におけるこれらの分子種の反応経路を探る。

研究成果

• [雑誌論文] Large-scale Mapping Observations of DCN and DCO⁺ toward Orion KL (2024)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Prathap Rayalacheruvu, Teppei Yonetsu et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 963 号: 1 ページ: 12-12
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad1e5a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] LMT 2 millimeter receiver system (B4R): Overview and results of demo-science (2023)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Ryohei Kawabe, Takeshi Sakai, Bunyo Hatsukade, Kunihiko Tanaka, Akio Taniguchi, Yuki Yoshimura, Tatsuya Takekoshi, Teppei Yonetsu, Masato Hagimoto, Hiroyuki Maezawa, Yoichi Tamura, Kotaro Kohno, David H. Hughes, F. Peter Schloerb & B4R/LMT collaboration
  • 学会等名: URSI GASS 2023
  • 国際学会
• [学会発表] GRRMによる星間分子C2H2N2の反応経路網の探索/解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 米津 鉄平, 北村 太一, 山内 良斗, 尾田 拓人, 松本 侑大, 前澤裕之
  • 学会等名: SRPS2023
• [学会発表] Global Reaction Route Mapping によるC2H2N2 の反応経路網の探索/解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 米津 鉄平, 北村 太一, 山内 良斗, 尾田 拓人, 松本 侑大, 前澤 裕之
  • 学会等名: 天文学会2023年秋季年会
• [学会発表] 有機ダストプラズマにおけるダストの成分同定に向けた解析手法の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 米津 鉄平, 松原 浩, 前澤 裕之
  • 学会等名: 天文学会2023年秋季年会
• [学会発表] プラズマ合成で探る有機分子のアグリゲイト状構造の形成過程/撮像 (2023)
  • 著者名/発表者名: 前澤裕之, 米津鉄平
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] 有機物合成実験のためのmm－THz波プラズマ分光診断システムの最適化開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 米津鉄平, 前澤裕之
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会