[論文レビュー] Ion chemistry in the early universe: revisiting the role of HeH+ with new quantum calculations

S. Bovino, M. Tacconi+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2011

Scientific Research and Discoveries参考文献 31被引用数 40

ひとこと要約

本研究では、初期宇宙におけるHeH+の存在割合を、反応HeH+ + H → He + H2+ に対する新しいab initio量子計算を用いて再評価した。その結果、低温域（特に10–50 K）において、従来の推定値よりも顕著に低い反応速度係数が得られ、HeH+の生存確率が著しく向上した。これにより、予測されるHeH+の分率存在割合は10倍以上に増加し、宇宙論的検出の可能性が従来の予想をはるかに上回ることとなった。

ABSTRACT

The role of HeH+ has been newly assessed with the aid of newly calculated rates which use entirely ab initio methods, thereby allowing us to compute more accurately the relevant abundances within the global chemical network of the early universe. A comparison with the similar role of the ionic molecule LiH+ is also presented. Quantum calculations have been carried out for the gas-phase reaction of HeH+ with H atoms with our new in-house code, based on the negative imaginary potential method. Integral cross sections and reactive rate coefficients obtained under the general conditions of early universe chemistry are presented and discussed. With the new reaction rate, the abundance of HeH+ in the early universe is more than one order of magnitude larger than in previous studies. Our more accurate findings further buttress the possibility to detect cosmological signatures of HeH+.

研究の動機と目的

• 初期宇宙の条件下で、HeH+ + H → He + H2+ の反応の反応速度係数をab initio量子法を用いて正確に計算すること。
• 新しい速度係数を宇宙化学ネットワークに組み込み、再結合以降の時期におけるHeH+の存在割合を再評価すること。
• 同じ宇宙物理学的条件下で、LiH+と比較してHeH+の化学的進化と生存可能性を評価すること。
• 更新されたHeH+の存在割合が、特に宇宙マイクロ波背景（CMB）の光学的厚さに与える影響を評価すること。
• 特に低金属量または原始的系において、HeH+の観測可能性を強化する根拠を提示すること。

提案手法

• 反応HeH+ + Hの反応断面積を計算するために、自社開発の量子コード（負の虚数ポテンシャル法に基づく）を用いた。
• 初期宇宙の温度（T < 100 K）に相当する広範な衝突エネルギー範囲において、積分断面積および速度係数を計算した。
• Ramachandranら（2009）が得た高精度のポテンシャルエネルギー表面（PES）を用い、Rutherford & Vroom（1973）およびKarpasら（1979）の実験データと照合した。
• 新しい速度係数を、H2、HD、H2+、LiH、LiH+ などの種を含む、初期宇宙化学のグローバル化学ネットワークモデルに統合した。
• 赤方偏移z ≈ 100からz ≈ 10までの赤方偏移依存の存在割合をシミュレートし、GP98モデルおよび従来のLiH+存在割合計算と比較した。
• 特に基底振動状態のj=4–6遷移に起因するHeH+の回転遷移がCMBの光学的厚さに与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温域（特に10–50 K）において、新しいab initio速度係数は、従来の実験的および理論的推定値と比べてどのように異なるか？
• RQ2 新しい速度係数を宇宙化学モデルに組み込んだ場合、初期宇宙におけるHeH+の再評価された分率存在割合はどの程度か？
• RQ3 同じ初期宇宙条件下で、LiH+と比較してHeH+の生存および存在割合はどのように異なるか？
• RQ4 更新されたHeH+の存在割合は、その回転遷移に起因するCMBの光学的厚さにどのような影響を与えるか？
• RQ5 増加したHeH+の存在割合は、宇宙観測における検出可能性をどの程度向上させるか？

主な発見

• 新しい量子計算により、100 K未満の温度域、特に10–50 Kの範囲で、HeH+ + Hの反応速度係数が従来の推定値よりも顕著に低くなることが明らかになった。
• 初期宇宙におけるHeH+の分率存在割合は、従来のモデル（例：GP98）と比較して10倍以上に増加し、z ≈ 20で約10−13に達することが予測された。
• HeH+の回転遷移（j=4–6）に起因するCMBの最大光学的厚さは約10倍に増加し、約10−7に達した。これにより検出可能性が著しく向上した。
• HeH+の破壊が遅くなったため、赤方偏移10 ≤ z ≤ 50の範囲でH2+の存在割合は約5分の1に減少したが、これはH2生成に顕著な影響を及ぼさなかった。
• 赤方偏移z ≲ 30の範囲では、HeH+がLiH+よりも多く存在することが判明し、観測的検出の対象としてより好ましいものとなった。
• より大きな双極子モーメント（1.66 D）と多数の振動-回転準位を有するため、原始的分子陽イオンの中でHeH+が実験的検出の最も有望な候補であることが確認された。