[論文レビュー] Dust evolution, a global view: IV. Tying up a few loose ends

A. P. Jones|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2018

Advanced Chemical Physics Studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、赤外線発光および吸収帯の原因物質として多へクサ環状炭化水素分子が関与することを提案することで、銀河間宇宙ダスト進化の断片的な側面を統合する。逐次的なマントル付着と粒子凝集がダストのサイズ分布、減光、熱放射を形作り、エポキシド修飾アモルファス炭素質（a-C:H）マントルがOCN含有分子およびおそらくアミノ酸の形成を駆動することを示し、銀河内のガス-ダスト比の変化とダスト表面反応性に根ざした普遍的な経路を通じて、宇宙ダストと生命の起源を結びつける。

ABSTRACT

This work is an attempt to tie together some of the, seemingly disparate, loose ends from the preceding papers in this series into the global view of dust evolution in the interstellar medium. In particular, the nature of the hydro-carbonaceous, infrared absorption and emission band carriers is discussed within the context of a simple poly- hexa-cyclic molecular view. The sequence of interstellar dust mantle accretion and grain- grain coagulation into aggregates, and their consequences for the interstellar dust size distribution, extinction and dust thermal emission, is explored. The effects of accretion and coagulation on the interstellar gas-to-dust ratio in the Milky Way and in distant galaxies are estimated. The importance of interstellar grain-surface epoxide species is re-visited and the likely and consequent connection between dense interstellar cloud dust and cometary dust explored. A possible connection between and the origin of the suite of interstellar OCN-containing molecules, and their interesting chemistry, is discussed. Finally, pathways to amino acid formation and their likelihood as a universal basis for life everywhere in the universe is speculated upon.

研究の動機と目的

• 赤外線帯の発光および吸収源、マントル付着、凝集、および宇宙生物学的意義といった、見かけ上関連のない銀河間宇宙ダスト進化の側面を統一すること。
• 銀河間宇宙で観測される赤外線発光および吸収特徴を引き起こす炭素質ダスト成分の本質を解明すること。
• アタックと凝集がのすなわち銀河および遠方銀河におけるガス-ダスト比に与える影響を評価すること。
• エポキシド種の銀河間表面反応性と複雑な有機分子形成への役割を調査すること。
• 宇宙空間でアミノ酸が形成される経路の普遍性を評価し、生命の起源に与える影響を検討すること。

提案手法

• THEMIS（The Heterogeneous dust Evolution Model for Interstellar Solids）フレームワークを用いて、銀河間環境におけるダスト進化をシミュレートする。
• 実験室で測定された銀河間ダスト類似体の性質を応用し、マントル付着および粒子-粒子凝集プロセスをモデル化する。
• エポキシド修飾a-C:H表面の化学的反応性をモデル化し、OCN含有分子の生成経路を再現する。
• 密なおよび疎なISM状態におけるダスト進化に伴うガス-ダスト比の変化と炭素質物質の体積分率の変化を定量する。
• ダスト集合体の分光的特徴を分析し、観測された減光および熱放射がダストのサイズおよび組成とどのように関連するかを特定する。
• 理論的、観測的、実験的データを統合し、アミノ酸前駆体へのエポキシド駆動経路の妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河間宇宙の赤外線発光および吸収帯の分子的担体は何か？
• RQ2 マントル付着および粒子凝集は、銀河間宇宙ダストのサイズ分布および減光曲線にどのように影響を与えるか？
• RQ3 エポキシド官能基は銀河間表面反応性および複雑有機分子形成に果たす役割は何か？
• RQ4 ダスト処理の結果、のすなわち銀河および遠方銀河におけるガス-ダスト比はどのように変化するか？
• RQ5 ダスト粒子上でのエポキシド媒介反応は、宇宙空間におけるアミノ酸形成への普遍的経路を提供できるか？

主な発見

• 銀河間宇宙の赤外線発光および吸収帯の担体は、炭素質ダスト内に存在する多へクサ環状分子構造によって最もよく説明できる。
• 外側分子雲領域におけるa-C:Hマントルの付着は、減光が短波長にシフトし、2175 Å付近のUVバンプが抑制される一方、凝集はグレーアンニュラス減光および単一ピークのMIR発光を引き起こす。
• a-C:H表面のC=C結合に酸素原子が反応することで生成するエポキシド基は、O–C–N、O=C–N、O=C=N、およびO–C≡N結合配置を有するOCN含有分子の形成を可能にする。
• 付着と凝集の結果、ガス-ダスト比は135から55に低下し、炭素質物質の体積分率は47%から74%に増加する。これは、密なISMおよび惑星探査機・セイコウ67Pの観測結果と整合的である。
• エポキシド修飾a-C:H表面は、OCCNまたはO2CCN配置を経由する経路を通じてアミノ酸前駆体の形成を促進でき、生物学的に関連する分子への普遍的経路を示唆する。
• 本モデルは、銀河間化学、ダストの形態、および宇宙空間における生命前化学の可能性を統合的に結びつける一貫した、包括的なダスト進化の図を支持する。