[論文レビュー] Low energy H+CO scattering revisited: CO rotational excitation with new potential surfaces

Benjamin C. Shepler, Benhui Yang+7 more|ArXiv.org|Sep 18, 2007

Atmospheric Ozone and ClimateEarth and Planetary Sciences参考文献 29被引用数 22

ひとこと要約

本研究は、新たに計算されたab initioポテンシャルエネルギー表面（CCSD(T)およびMRCI）を用いて、低エネルギーH+CO散乱を再検討し、回転励起断面積における矛盾を解消する。WKSポテンシャルを用いた従来の研究とは対照的に、新しい表面は強い偶数ΔJ傾向と0→1遷移の抑制を示し、H-CO衝突がCOの励起に以前考えられていたほど効果的でないことを示唆する。これは、希薄な宇宙線環境におけるH2の優位性を支持する、初期の天体物理学的仮定を裏付けるものである。

ABSTRACT

A recent modeling study of brightness ratios for CO rotational transitions in gas typical of the diffuse ISM by Liszt found the role of H collisions to be more important than previously assumed. This conclusion was based on quantum scattering calculations using the so-called WKS potential energy surface (PES) which reported a large cross section for the important 0->1 rotational transition. New close-coupling (CC) rigid-rotor calculations for CO(v=0,J=0) excitation by H are performed on four different PESs. Two of the PESs are obtained in this work using state-of-the-art quantum chemistry techniques at the CCSD(T) and MRCI levels of theory. Cross sections for the J=0->1, as well as other odd Delta J, transitions are significantly suppressed compared to even Delta J transitions in thermal energy CC calculations using the CCSD(T) and MRCI surfaces. This is consistent with a expected even Delta J propensity and in contrast to CC calculations using the earlier WKS PES which predict a dominating 0->1 transition. The current results suggest that the original astrophysical assumption that excitation of CO by H_2 dominates the kinetics of CO in diffuse ISM gas is likely to remain valid.

研究の動機と目的

• WKSポテンシャルを用いた従来の量子散乱計算で示された大きな0→1断面積と、H-CO散乱における予想される偶数ΔJ傾向との矛盾を解消すること。
• H-CO系の高精度なab initioポテンシャルエネルギー表面（CCSD(T)およびMRCI）を、長距離領域の挙動を改善して計算すること。
• WKSポテンシャル表面における長距離異方性の不正確さが、回転励起断面積の差異に起因するかどうかを検証すること。
• 希薄な宇宙線環境（diffuse ISM）におけるH衝突がCOの回転励起に果たす役割を再評価すること。
• Liszt（2006）が主張したように、H衝突がCOの回転分布に顕著に影響することを、天体物理学的に検証または見直すこと。

提案手法

• 熱エネルギー領域におけるHによるCO(v=0, J=0)の励起に対する、閉じ込められたカップリング（CC）および剛体回転子量子散乱計算を実施する。
• 4種類のポテンシャルエネルギー表面（PES）を用いる：2つの新しいab initio表面（CCSD(T)およびMRCI）と、2つの既存の表面（BBHおよびWKS）。
• PESのルジャンドル展開を用いて、ΔJ = 1, 2, 3遷移の状態-状態回転励起断面積を計算し、特にλ = |ΔJ|結合項に注目する。
• PESの長距離領域の挙動と異方性、特にλ = 1成分の分析により、断面積の差異を引き起こす要因を特定する。
• PES間での断面積を比較し、WKS表面における異常な0→1遷移の原因を特定する。
• J=1およびJ=2励起について追加計算を行い、ΔJ=1異常性が回転状態にわたって一貫しているかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H-CO系は、低衝突エネルギー領域で、ホモ核的長距離相互作用に起因する予想通りの偶数ΔJ傾向を示すのか？
• RQ2 なぜWKS PESを用いた従来の計算では、BBH PESで観察された偶数ΔJ傾向とは矛盾する大きな0→1遷移断面積が予測されるのか？
• RQ3 ポテンシャルエネルギー表面の長距離異方性の微細な詳細が、低エネルギー非弾性散乱断面積にどのように影響するのか？
• RQ4 新しいab initio PES（CCSD(T)およびMRCI）は、WKSとBBHの結果の差異をどの程度解消できるのか？
• RQ5 希薄な宇宙線環境において、H衝突による0→1断面積は、H2衝突と比較して無視できるほど小さいままなのか、以前の仮定と一致するのか？

主な発見

• 新しいCCSD(T)およびMRCI PESを用いた0→1回転励起断面積は、抑制されており、BBH PESで得られた値と同程度の大きさであるが、WKS PESの予測とは著しく異なる。
• 新しい表面は、低エネルギー領域におけるH-CO散乱において、予想される偶数ΔJ傾向を再現しており、物理的期待値を裏付ける。
• WKS PESに見られる異常な大きな0→1断面積は、特徴的な長距離領域の挙動と、強化されたλ=1異方性成分に起因し、障壁に近い位置でピークを示し、他の表面よりもゆっくりと減衰する。
• WKS PESのλ=1成分がΔJ=1遷移の誇張を引き起こしており、その長距離異方性が散乱結果の差異を引き起こしている。
• H-CO衝突における0→1断面積は、以前に報告された値よりもはるかに小さく、Chu & Dalgarno（1975）およびGreen & Thaddeus（1976）の先行研究と整合的である。
• 本研究の結果は、H衝突が希薄な宇宙線環境におけるCOの回転分布に顕著に影響することを主張した天体物理学的結論を無効にし、H2およびHeがCO励起力学において支配的であることを再確認する。