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超高感度分析装置で迫る氷星間塵における有機窒素化合物形成素過程

研究課題

研究課題/領域番号 23K19058
研究種目

研究活動スタート支援

配分区分基金
審査区分 0204:天文学、地球惑星科学およびその関連分野
研究機関北海道大学

研究代表者

石橋 篤季  北海道大学, 低温科学研究所, 博士研究員 (80983949)

研究期間 (年度) 2023-08-31 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワード表面反応 / 星間塵 / 分子進化 / 星間分子雲 / 複雑有機物 / ラジカル検出
研究開始時の研究の概要

宇宙空間で観測されている複雑有機分子(COMs)は,生体関連分子の前駆体となる始原物質と考えられ,その形成過程は世界的な研究テーマになっている.COMsの起源として,星間分子雲の氷星間塵表面における化学反応が重要であるが,個々の分子がどのような進化過程を経るかは未解明である.また,近年の天文観測により,COMsの化学組成や分布は天体により異なることが明らかになってきた.本研究では,特に H, C, O, N原子で構成されるN含有COMsに着目し,応募者らが開発した世界唯一の超高感度氷表面分析装置を用いて,模擬星間塵表面におけるCOMs形成に至る素過程の情報を世界に先駆けて取得する.

研究実績の概要

今年度は、低温H2O氷に吸着した微量CH3OHとNH3試料の光反応実験を行う予定だった。しかし、H2O、CH3OH、NH3の3成分系での光反応生成物は非常に複雑となり、結果の解釈が難しいことが予測される。そのため、まず初めに、氷上のCH3OHとNH3の光反応で生じる可能性が高い単純な反応系において、詳細な調査を行った。光照射初期過程では、まずH2O氷の光解離でOHラジカルが形成され、反応を生じる可能性が高い。それゆえ、高感度非破壊質量分析(Cs+ピックアップ)装置を用いて、氷表面におけるOHが起点となる反応を調べた。
先行研究から、氷上のCH3OHの光反応で最初の段階に主要に生じることがわかっているCH3OHとOHの反応について詳細な物理化学過程を調べた。その結果、CH3OとCH2OHラジカルの分岐比を定量的に決定することに成功した。CH3OとCH2OHの分岐比はおよそ4:1であり、CH3Oが優勢に生成する。また、CH3Oラジカルの低温での駆動性についても示唆的な結果を得ることができた。CH3OラジカルはCH3OH+OHの反応後、過渡的に拡散できることがわかった。一方で、CH2OHラジカルはほとんど駆動しないことを示唆する結果をも得た。つまり、CH3Oラジカルがより反応に寄与する可能性が高いという予察的な結果を得ることができた。
また、氷上のNH3について、予備的な光反応実験を行った。その結果、NH2ラジカルやN2H4、NH2OHなどが検出できた。これらの生成物は全てNH2が材料となり生成する分子である。そのため、氷上のNH3の光分解では、NH3の光分解またはNH3+OHにより、NH2ラジカルが主要に形成するということが明らかになった。

現在までの達成度 (区分)
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

今年度は、まず、素過程の理解を優先的に行った。その結果、氷表面におけるCH3OHとOHラジカルの反応分岐比について、これまでにない精度で求めることに成功した。そして、形成したCH3Oが反応熱などを使って、10Kであっても過渡的に拡散する様子を捉えることに成功した。この情報はこれまであまり考慮されていないことであり、実験的に捉えることができたのは本研究が初めてである。また、氷上のNH3から生成したNH2とNH2由来の生成物の検出にも成功した。
これらの知見は、反応経路を決定する上で非常に重要な情報であるため、おおむね順調に進んでいると言える。

今後の研究の推進方策

今後は、低温H2O氷に吸着した微量CH3OHとNH3試料の光反応実験を実行する。光照射中の生成物の振る舞い、および照射後の生成物の種類の分析をCs+ピックアップ装置を用いて行う。また、今年度の成果から、氷上のCH3OHまたはNH3光反応では、それぞれCH3OまたはNH2が主に生じることがわかっている。この情報と、生成物の振る舞い、生成物の種類を基に、反応経路の分析を行う予定である。

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (8件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 6件)

  • [雑誌論文] Determination of the Branching Ratio of CH<sub>3</sub>OH + OH Reaction on Water Ice Surface at 10 K2023

    • 著者名/発表者名
      Ishibashi Atsuki、Hidaka Hiroshi、Sameera W. M. C.、Oba Yasuhiro、Watanabe Naoki
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 960 号: 1 ページ: 90-90

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acfb82

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Inefficient CO2 formation from CO+OH reaction on ice surface: Real-time measurements of radical reactions using a highly sensitive apparatus2024

    • 著者名/発表者名
      Atsuki Ishibashi, Hiroshi Hidaka, Yasuhiro Oba, Naoki Watanabe
    • 学会等名
      Laboratory Astrophysics Workshop (ICE 2024)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Branching ratio of methanol and hydroxyl radical reactions on ice surface: Analysis with a newly developed high-sensitive method2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ishibashi, H. Hidaka, W. M. C. Sameera, Y. Oba, N. Watanabe
    • 学会等名
      7th Asian Workshop on Molecular Spectroscopy 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Direct measurements for radical reactions on ice: approach to the formation mechanisms of complex organic molecules2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ishibashi, H. Hidaka, Y. Oba, A. Kouchi, N. Watanabe
    • 学会等名
      Kavli-IAU Symposium No. 383 (IAU S383) Astrochemistry VIII: From the First Galaxies to the Formation of Habitable Worlds
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High-sensitivity analysis of photoproducts from methanol adsorbed on water ice surface: Elucidation of efficient formation process of methyl formate2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ishibashi, H. Hidaka, Y. Oba, A. Kouchi, N. Watanabe
    • 学会等名
      38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantitative analysis for the branching ratio of CH3O and CH2OH radicals formed from CH3OH + OH reaction on ice surface2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ishibashi, H. Hidaka, W. M. C. Sameera, Y. Oba, N. Watanabe
    • 学会等名
      Workshop on Interstellar Matter 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental determination of CH3OH + OH reaction branching ratio on water ice surface at 10 K2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ishibashi, H. Hidaka, W. M. C. Sameera, Y. Oba, N. Watanabe
    • 学会等名
      38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 低温氷表面に吸着した CO と OH の反応による非効率的な CO2 形成2023

    • 著者名/発表者名
      石橋篤季,日高宏,大場康弘,渡部直樹
    • 学会等名
      原子衝突学会第48回年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

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公開日: 2023-09-11   更新日: 2024-12-25  

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