共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 過渡的加熱現象における星間固体氷の蒸発および固体氷上での有機分子形成
新規・継続の別 継続（平成26年度から）
研究代表者／所属 名古屋市立大学
研究代表者／職名 准教授
研究代表者／氏名 三浦均

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 山本哲生 北海道大学 名誉教授

2

 中本泰史 東京工業大学 教授

3

 長沢真樹子 久留米大学 准教授

4

 野村英子 東京工業大学 准教授

5

 田中秀和 北大低温研

6

 田中今日子 北大低温研

研究目的 星間空間や原始惑星系円盤には複雑な有機分子が存在しており，これらの多くはH2OやCOを主成分とする固体物質（以下，固体氷）上で合成されると考えられている。一方で，天文観測によって検出される有機分子は気相中に存在しているため，有機分子が多く検出される領域においては固体氷の加熱・蒸発が生じ，それに伴って有機分子が気相中に放出されていると考えられる。本研究課題では，星間衝撃波による固体物質の過渡的な加熱現象に注目し，固体氷の過渡的な加熱・蒸発過程および有機分子の化学反応について理論的な検討を行うことを目的とした。
円盤中のSOの分布(左図)と氷微惑星蒸発が起きた場合のSO分子輝線強度のモデル計算の結果(右図)。　吸着分子の10%蒸発条件。ΔE_dが大きいほど，より弱い衝撃波で分子の昇華が生じる。　
研究内容・成果 今年度は，主に「低温氷物質加熱現象の観測可能性」及び「固体物質表面に吸着した有機分子の昇華率」に関するテーマについて理論的な検討を行なった。また，これらの成果を元に，北大低温研にて研究打ち合わせを行ない，原始太陽系星雲における低温物質の進化について議論した。
原始惑星系円盤内における低温氷物質加熱現象の観測可能性に関しては，本研究課題の過去の成果により，微惑星バウショックによって氷微惑星及び氷固体物質が加熱され，様々な揮発性分子が昇華して気相に放出されうることが明らかとなっていた（Tanaka et al. 2013， Nagasawa et al. 2014）。その成果を踏まえて，昇華した分子のその後の化学進化を理論的に解くことによって，以下のことが分かった。まず，昇華したH2Sは気相反応によって破壊され，約1万年の時間をかけてSOやSO2が形成される。従って，H2SやSOは，原始惑星系円盤内部における衝撃波による氷微惑星蒸発現象の良いトレーサーとなり得る。原始惑星系円盤からのH2S，SO，SO2などの分子輝線は，従来の電波観測では検出されていなかったが，ALMAなどの高感度・高空間分解能な電波干渉望遠鏡を用いることで，これらの輝線を検出できる可能性がある（図1，Nomura et al. 2015）。
固体物質表面に吸着した有機分子の昇華については，近年，原始惑星系円盤の外縁部において，SOなどの分子が衝撃波加熱によって昇華している可能性がALMA望遠鏡によって示されており，その昇華率を定量的に評価することが必要であった。我々は，各有機分子の昇華率を，固体物質表面構造の非一様性やchemical desorptionにおける反応熱の分配過程に着目して評価した。固体物質表面は非一様な構造を持つため，固体表面に吸着した有機分子の脱離エネルギーE_d0が一定値でなく，ある幅ΔE_dを持って分布すると考えられる。そこで，脱離エネルギーの分布を正規分布で近似した上で衝撃波加熱による分子昇華率を再計算したところ，分布幅が大きくなると，分子の昇華率が何桁も大きくなることがわかった（図2）。また，chemical desorptionに関しては，固体表面反応で新しく形成した分子の生成熱が一瞬で固体表面に熱として伝達されるという仮定のもと，固体内部への反応熱の拡散，及び，生成分子の熱脱離確率を解析的に求めた。本研究で得られた昇華率の式を化学反応ネットワークに組み込むことで，星間分子の化学進化における固体表面反応の影響をより定量的に評価できる可能性がある。
円盤中のSOの分布(左図)と氷微惑星蒸発が起きた場合のSO分子輝線強度のモデル計算の結果(右図)。　吸着分子の10%蒸発条件。ΔE_dが大きいほど，より弱い衝撃波で分子の昇華が生じる。　
成果となる論文・学会発表等 [1] H. Nomura， D. Ishimoto， M. Nagasawa， K. K. Tanaka， H. Miura， T. Nakamoto， H. Tanaka， and T. Yamamoto， IAU General Assembly， Meeting #29， id.#2256952 (2015)
[2] 野村 英子， 石本 大貴， 長沢 真樹子， 田中 今日子， 三浦 均， 中本 泰史， 田中 秀和， 山本 哲生，氷微惑星衝撃波加熱のALMAによる観測的検証法，Japan Geoscience Union Meeting 2015， abstract PPS24-12
[3] M. Nagasawa， K. K. Tanaka， H. Tanaka， T. Nakamoto， H. Miura， and T. Yamamoto， Astrophysical Journal Letters 794， L7(5pp) (2014)
[4] K. K. Tanaka， T. Yamamoto， H. Tanaka， H. Miura， M. Nagasawa， and T. Nakamoto， Astrophysical Journal 764， 120 (2013)
[5] Y. Kimura， K. K. Tanaka， H. Miura， K. Tsukamoto， Crystal Growth & Design 12， 3278 (2012)
[6] K. K. Tanaka， H. Tanaka， T. Yamamoto， and K. Kawamura， J. Chem. Phys. 134， 204313 (2011)