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

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K04028
• 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, 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), 助教 (70451820)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 星間分子 / イオン分子衝突 / 化学反応 / 星間物質 / 多環芳香族炭化水素分子 / 星間ダスト

研究実績の概要

星間空間には紫外線領域の波長220nm付近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。また電気通信大学の坂田らによって提唱された急冷炭素質物質（QCC)は星間減光曲線の形状を良く再現する。これらの物質は宇宙空間を飛び交う荷電粒子との衝突により変性を受ける可能性がある。
この変性機構を解明するため、地上で合成されたQCCなどの炭素質ナノ物質を宇宙空間（国際宇宙ステーション日本実験棟「きぼう」に付属した簡易真空曝露装置ExHAM）にさらす実験が行われた。回収試料の赤外線分光の測定を行った結果、試料から脱水素化現象が起きていることが示唆されている。地上での対照実験も同様な現象がみられた。また窒素を混入した急冷炭素質物質（QNCC）を「きぼう」実験棟にさらす実験が行われた。
炭素質物質への変性過程を調べるため、荷電粒子と分子との衝突現象に関する古典的なシミュレーションを行った。ここでは炭素質物質をフラグメントに分け、そのフラグメントと荷電粒子との衝突を考察した。フラグメントとしてCO分子やOH分子などの異核二原子分子を想定した。これらの分子はそれ自身が代表的な星間分子であるほか、しばしば星間ダストに吸着していると考えられている。イオンとフラグメント分子の衝突によるエネルギー移動過程を古典軌道計算と瞬間近似法を用いて調べた。瞬間近似では粒子間のポテンシャルを剛体ポテンシャルで近似するものである。入射粒子として陽子およびリチウムイオンを仮定し、衝突エネルギーは１eV-1keVを想定した。このエネルギー領域は太陽風中の荷電粒子の運動エネルギーに相当する。標的分子はCO分子及びより質量の非対称性の大きな分子フラグメント（OHなど）を想定した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

新型コロナウイルスの蔓延に伴い研究活動に支障が出た。
研究代表者は遠隔授業の実施に伴い、担当する授業の動画作成のために多くの時間を費やさざるをえず、研究時間を確保することができなかった。このため荷電粒子との衝突に関するシミュレーションを実行するための計算プログラムの作成が当初の予定より遅れている。
また緊急事態宣言発出に伴い、他県への移動自粛が求められ、対面での研究打ち合わせができない状況であった。メール等を用いての打ち合わせは行ったが、直接の情報交換に比べて不十分なことしかできなかった。
さらに多くの学会（国際学会を含む。）および研究会が中止になり、両名ともに研究成果発表の機会も失われた。
その後、やや状況が落ち着き、研究は徐々に進んでいる。フラグメント分子との計算結果がまとまり、この結果についての論文も日本物理学会の学術誌に投稿することができた。この論文は現在審査中である。

今後の研究の推進方策

荷電粒子とダスト分子の衝突による変性過程を理解するための理論的研究として、現在、荷電粒子との衝突過程の計算をより大きな分子に拡張するため計算プログラムを書き換え中である。当面は炭素鎖分子およびベンゼン環を含む分子に適用するプログラムを作成している。さらに窒素を混入した炭素質物質に適用できるようプログラムを拡張する予定である。荷電粒子とフラグメント分子との衝突に関する計算結果について原子衝突国際会議（ICPEAC）においてポスター発表を行った。さらにイオンと異核2原子分子の衝突に関するエネルギー移動過程についての計算結果をまとめたものを、現在原著論文として投稿中である。この論文の出版に向けて努力したい。
実験的研究としては窒素を含む炭素質ナノ物質が荷電粒子との衝突に伴い変性を受けたかを実験的に調べていきたい。このために、さまざまな条件下で合成されたQNCCを国際宇宙ステーションの「きぼう」の実験棟簡易曝露装置(ExHAM)に搭載し1年間曝露する実験を行った。
2019年8月からおおよそ１年間の曝露期間を経て、2021年初旬に試料を地上に回収し、その後、筑波宇宙センターにて受け取った。今後、この試料について赤外線顕微分光分析を中心に分析を進めていく予定である。ダスト分子が窒素を含むことによりナノ物質の変性にどのような相違が生じるかを明らかにしたい。
以上のような研究を通して星間空間での分子進化における窒素原子の役割を解明したい。

次年度使用額が生じた理由

2020年3月からのパンデミックの影響で、出席および研究発表を予定していた国内外の学会や研究集会がほとんど中止になり、旅費交通費や学会参加登録料などが使用できなくなった。また関連する研究分野の研究者を招致してセミナーや講演会を開くこともできなくなった。またオンライン授業の実施のため研究時間を確保することが困難になり、研究の進行が遅れたため予定していた備品や消耗品の購入を行うことができなかった。
今後は当初の予定では2020年度に導入を予定していた機材等を購入するとともに、オンライン学会などで研究成果を発表することを考えている。また最終年度までにはパンデミックが終息することを期待している。

研究成果

• [雑誌論文] The Origins Space Telescope mission concept study team J. of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, (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 ページ: 011013 (1-27)
  • DOI: 10.1117/1.JATIS.7.1.011013
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quenched Nitrogen-included Carbonaceous Composite (QNCC): A powerful candidate of the carriers of the UIR bands in classical novae (2020)
  • 著者名/発表者名: Izumi Endo, Itsuki Sakon, Takashi Onaka, Andrew L. Helton, Ryan M. Lau, Seiji Kimura, Setsuko Wada, Nanako Ogawa, Naohiko Ohkouchi, Yoko Kebukawa
  • 雑誌名: Proceedings of the International Astronomical Union, 巻: 350 ページ: 425-426
  • DOI: 10.1017/S1743921319006409
  • 国際共著