[論文レビュー] Formation of buckminsterfullerene (C60) in interstellar space

Olivier Berné, A. G. G. M. Tielens|PubMed|Nov 3, 2011

Fullerene Chemistry and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、多環芳香族炭化水素（PAHs）の紫外線照射による脱水素化がグラフェンを形成し、それがC60に閉じるトップダウン経路によって、寒冷で希薄な星間雲で buckminsterfullerene（C60）が効率的に形成されることを提案する。NGC 7023における観測では、C60の含有量が低密度（n_H ~ 150 cm⁻³）および高紫外線場（G₀ ~ 10⁵）でピークを示し、従来のボトムアップ形成モデルとは矛盾する。これにより、宇宙空間におけるC60合成経路として紫外線駆動型グラフェン形成が支配的であると示唆される。

ABSTRACT

Buckminsterfullerene (C(60)) was recently confirmed as the largest molecule identified in space. However, it remains unclear how and where this molecule is formed. It is generally believed that C(60) is formed from the buildup of small carbonaceous compounds in the hot and dense envelopes of evolved stars. Analyzing infrared observations, obtained by Spitzer and Herschel, we found that C(60) is efficiently formed in the tenuous and cold environment of an interstellar cloud illuminated by strong ultraviolet (UV) radiation fields. This implies that another formation pathway, efficient at low densities, must exist. Based on recent laboratory and theoretical studies, we argue that polycyclic aromatic hydrocarbons are converted into graphene, and subsequently C(60), under UV irradiation from massive stars. This shows that alternative--top-down--routes are key to understanding the organic inventory in space.

研究の動機と目的

• 寒冷で低密度の星間環境においてC60が効率的に形成されるメカニズムを解明すること。
• 星間媒体におけるPAHsとC60の関係を調査し、特にPAHsがC60の直接的前駆体であるかどうかを検討すること。
• PAHsが紫外線によってグラフェンに脱水素化され、その後C60に閉じる経路が宇宙空間におけるC60形成として実現可能かどうかを検証すること。
• NGC 7023からの観測データを用いて、C60形成が最も効率的となる物理的条件（紫外線場、密度）を定量化すること。

提案手法

• NGC 7023の反射星雲における中赤外域のPAHおよびC60発光を、SpitzerおよびHerschel観測により測定した。
• Spectral Energy Distribution（SED）に黒体放射の修正モデルを適合させ、Herschelで得られた遠赤外域の宇宙ほこり発光（I_FIR）を基準に、PAHおよびC60バンド強度を絶対化学含有量に補正した。
• PAH発光モデルを用いて、連続スペクトルおよび減光の影響を補正し、PAHバンド強度を分離して測定した。
• 外側の星雲領域における16.4 µmおよび17.4 µmのPAHバンドの既知の相関関係を活用し、17.4 µm帯域におけるC60寄与をPAHの汚染から分離した。
• 星の放射フラックスと距離を用い、球対称希釈および圧力平衡の仮定に基づき、放射場（G₀）およびガス密度（n_H）を推定した。
• G₀/n_H比を、脱水素化効率の主要な診断指標として用い、観測値をグラフェン形成に適した理論的安定性曲線と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 寒冷で希薄な星間環境において、PAHsがC60の直接的前駆体となり得るか？
• RQ2 C60の形成に有利な物理的条件（紫外線場強度およびガス密度）は何か？
• RQ3 NGC 7023における観測されたC60含有量は、PAHsの脱水素化によるグラフェン形成を経たトップダウン経路と整合的か？
• RQ4 低密度領域において、ボトムアップ経路とトップダウン経路の間でC60形成の効率はどのように比較できるか？
• RQ5 紫外線放射がPAHsからフラーレンへの変換をどのように駆動しているか？

主な発見

• NGC 7023において、中心星からの距離12”の位置でC60含有量がピークを示し、そのときの放射場はG₀ ≈ 1.0 × 10⁵、ガス密度はn_H ≈ 150 cm⁻³であった。
• C60含有量のピークは、低密度（n_H ~ 150 cm⁻³）および高紫外線場（G₀ ~ 10⁵）の領域に位置しており、従来のボトムアップ形成モデル（高密度・高温環境を要する）とは矛盾する。
• 観測されたC60含有量は、標準的なイオン-分子反応や固体表面反応とは整合せず、代替的な形成経路の存在を示唆する。
• C60含有量ピーク領域におけるG₀/n_H比は約650であり、PAHsがグラフェンに効率的に脱水素化され、その後C60に閉じる条件として予測された範囲内にあった。
• 外側の星雲ではPAHsは中性でジッグザッグ端を持つ構造が支配的であるのに対し、内側領域ではアームチェア端を持つイオン化PAHsが存在しており、紫外線処理の影響と整合的である。
• 本研究は、紫外線駆動型PAHsの脱水素化によるグラフェン形成およびその後のC60への閉じるプロセスが、寒冷で希薄な星間雲において実現可能で効率的なC60形成経路であるという観測的証拠を提供した。