[論文レビュー] On the relevance of the H2 + O reaction pathway for the surface formation of interstellar water - A combined experimental and modeling study

Thanja Lamberts, H. M. Cuppen+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 31被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、超高真空温度プログラム脱着実験と運動論的モンテカルロモデルを組み合わせて、宇宙空間における水の生成において H₂ + O 反応が果たす役割を評価した。この経路は、氷被覆チリ粒子上での OH および水の生成に最大で11%寄与すると判明し、反応速度定数の保守的な上限は 1.68 × 10³³ · exp(−960/T) s⁻¹ である。これは、宇宙空間条件下で主要な経路である可能性が低いことを示している。

ABSTRACT

The formation of interstellar water has been commonly accepted to occur on the surfaces of icy dust grains in dark molecular clouds at low temperatures (10-20 K), involving hydrogenation reactions of oxygen allotropes. As a result of the large abundances of molecular hydrogen and atomic oxygen in these regions, the reaction H2 + O has been proposed to contribute significantly to the formation of water as well. However, gas phase experiments and calculations, as well as solid-phase experimental work contradict this hypothesis. Here, we use precisely executed temperature programmed desorption (TPD) experiments in an ultra-high vacuum setup combined with kinetic Monte Carlo simulations to establish an upper limit of the water production starting from H2 and O. These reactants are brought together in a matrix of CO2 in a series of (control) experiments at different temperatures and with different isotopological compositions. The amount of water detected with the quadrupole mass spectrometer upon TPD is found to originate mainly from contamination in the chamber itself. However, if water is produced in small quantities on the surface through H2 + O, this can only be explained by a combined classical and tunneled reaction mechanism. An absolutely conservative upper limit for the reaction rate is derived with a microscopic kinetic Monte Carlo model that converts the upper limit into a maximal possible reaction rate. Incorporating this rate into simulations run for astrochemically relevant parameters, shows that the upper limit to the contribution of the reaction H2 + O in OH, and hence water formation, is 11% in dense interstellar clouds. Our combined experimental and theoretical results indicate however, that this contribution is likely to be much lower.

研究の動機と目的

• 宇宙空間の表面で生成する星間水の形成において、H₂ + O 反応経路の重要性を評価すること。
• 低温度条件下で H₂ + O が水の生成に有意義に寄与できるかどうかについて、実験的・理論的主張の矛盾を解消すること。
• 制御された UHV 実験と運動論的モデリングを用いて、反応速度の厳密な上限を確立すること。
• この上限が星間化学ネットワークモデルおよび水の重水素分馏に与える影響を評価すること。

提案手法

• H₂ と O を CO₂ マトリックス中に共沈着させた超高真空 (UHV) カムバックで温度プログラム脱着 (TPD) 実験を実施した。
• 脱着した水を区別し、セル内汚染を除外するために四重極質量分析計を用いた。
• 同位体ラベル実験（例：H₂、D₂、O-18）を実施し、反応経路を追跡し、生成物の起源を確認した。
• 実験的上限を最大可能な反応速度に変換するために、微視的運動論的モンテカルロ (kMC) モデルを開発した。
• 得られた上限を、宇宙空間条件下（10–20 K、関連する密度）の星間化学シミュレーションに組み込んだ。
• 量子力学的式を用いて反応障壁と速度を比較することで、トンネル効果と古典的寄与の寄与度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙空間条件下（10–20 K）で、氷被覆チリ粒子表面において H₂ + O 反応が検出可能な量の OH および H₂O を生成できるか？
• RQ2 実験的制約と理論的モデルを踏まえた場合、H₂ + O 反応の最大可能な速度は何か？
• RQ3 濃密星間雲において、他の水生成経路（例：O + H、O₂ + H、OH + H）と比較して、H₂ + O 経路はどの程度重要か？
• RQ4 トンネル効果または古典的活性化が H₂ + O 反応にどの程度寄与しているか。また、大きな吸熱性（960 K）を克服できるか？
• RQ5 H₂ + O 経路の結果が、星間水の重水素分馏にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 実験的に観測された水の脱着シグナルは、主にセル内汚染由来であり、H₂ + O 反応由来ではない。
• H₂ + O による検出可能な H₂O 生成は、反応が吸熱的で高い障壁を持つため、古典的およびトンネル効果の両方を伴うメカニズムを経由する必要がある。
• H₂ + O 反応の速度定数の絶対的上限として、1.68 × 10³³ · exp(−960/T) s⁻¹ が導出された。
• 星間化学シミュレーションに組み込んだ結果、H₂ + O 経路は、濃密星間雲における OH および水の生成に最大で11%寄与する。
• モデルにおける保守的な仮定（低い付着確率や熱化効果など）を考慮すると、実際の寄与ははるかに低い可能性が高い。
• 結果から、H₂ + O 経路は水の生成の主要経路ではなく、星間氷被覆化学のモデルでは有意義であると仮定すべきではないことが示唆された。