[論文レビュー] Hydrogenation reactions in interstellar CO ice analogues

Guido Fuchs, H. M. Cuppen+6 more|ArXiv.org|Jun 12, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、長年の宇宙間CO氷の水素化実験における矛盾を解消し、2つの日本の研究グループが報告したメタノール生成速度の差が主に水素原子フラックスの違いによるものであることを示した。超高真空実験とモンテカルロシミュレーションを用いて、ホルマールデヒド、メタノールが12–20 Kで効率的に生成されることを確認した。反応速度と拡散障壁はフラックスと温度に依存し、宇宙空間環境に特有の低フラックス条件下における星間氷の化学を説明する強固なモデルを提供する。

ABSTRACT

Hydrogenation reactions of CO in inter- and circumstellar ices are regarded as an important starting point in the formation of more complex species. Previous laboratory measurements by two groups on the hydrogenation of CO ices resulted in controversial results on the formation rate of methanol. Our aim is to resolve this controversy by an independent investigation of the reaction scheme for a range of H-atom fluxes and different ice temperatures and thicknesses. Reaction rates are determined by using a state-of-the-art ultra high vacuum experimental setup to bombard an interstellar CO ice analog with room temperature H atoms. The reaction of CO + H into H2CO and subsequently CH3OH is monitored by a Fourier transform infrared spectrometer in a reflection absorption mode. In addition, after each completed measurement a temperature programmed desorption experiment is performed to identify the produced species. Different H-atom fluxes, morphologies, and ice thicknesses are tested. The formation of both formaldehyde and methanol via CO hydrogenation is confirmed at low temperature (12-20 K). We confirm, as proposed by Hidaka et al., that the discrepancy between the two Japanese studies is mainly due to a difference in the applied hydrogen atom flux. The production rate of formaldehyde is found to decrease and the penetration column to increase with temperature. In order to fully understand the laboratory data, the experimental results are interpreted using Monte Carlo simulations. This technique takes into account the layered structure of CO ice. Temperature-dependent reaction barriers and diffusion rates are inferred using this model. The model is extended to interstellar conditions to compare with observational H2CO/CH3OH data.

研究の動機と目的

• 星間CO氷の水素化実験におけるメタノール生成速度に関する論争を解消すること。
• H原子フラックス、氷の温度、厚さに依存するCO水素化反応速度の依存関係を調査すること。
• 拡散、結合エネルギー、積層構造を考慮した物理的に整合性のあるモンテカルロモデルの構築。
• 理論的シミュレーションを用いて実験データを解釈し、温度依存の反応障壁と拡散速度を推定すること。
• モデルを星間環境に拡張し、H₂CO/CH₃OHの観測濃度比と照合すること。

提案手法

• 12–20 KでCO氷標的にH原子を照射する超高真空装置を用いた実験。
• 反響吸収赤外分光法（RAIRS）を用いて、CO、H₂CO、CH₃OHの生成をリアルタイムで追跡。
• 各実験後に温度プログラム脱着（TPD）を実施し、脱着生成物の同定と定量を実施。
• 幾何的および圧力ベースの計算により、5×10¹³ cm⁻²s⁻¹の明確に定義されたフラックスを持つ集束H原子ビームを用いた。
• 層状アモルファスCO氷における拡散および反応経路をモデル化する、連続時間・ランダムウォーク型モンテカルロシミュレーションを実施。
• H–COおよびCO–CO相互作用のための高水準量子化学ポテンシャルを用い、結合エネルギーと拡散障壁を計算。鞍点最適化にはNEBおよびLanczos法を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CO氷水素化実験に関する過去2件の研究で観測されたメタノール生成量の差は、何に起因するか？
• RQ2 H原子フラックスは、星間氷模擬物質におけるホルマールデヒドとメタノールの生成速度にどのように影響するか？
• RQ3 アモルファスCO氷における拡散および反応障壁の温度依存性は何か？
• RQ4 氷の形態と厚さは、実験的シミュレーションにおける観測反応キネティクスにどのように影響するか？
• RQ5 モンテカルロシミュレーションは、さまざまな物理的条件下で実験データをどれほど正確に再現・説明できるか？

主な発見

• 過去の研究間でのメタノール生成差は、主にH原子フラックスの違いに起因しており、Hidakaら（2004）の仮説を裏付けた。
• ホルマールデヒドとメタノールは、12–20 KでCO氷において両方効率的に生成され、CO → HCO → H₂CO → H₃CO → CH₃OHという水素化経路が確認された。
• ホルマールデヒドの生成速度は温度上昇に伴い減少するが、H原子の浸透深さは増加する。
• 実験データとモンテカルロシミュレーションから、温度依存の反応障壁と拡散速度が推定され、高温で移動度が向上することが示された。
• モデルは、観測されたスペクトルの時間的変化およびフラクション依存の濃度変化（CO、H₂CO、CH₃OH）をうまく再現した。
• 低H原子フラックス条件下のシミュレーション結果は、観測された星間H₂CO/CH₃OH濃度比と一致し、モデルが現実の星間環境に適応可能であることを支持した。