[論文レビュー] Sequestration of noble gases by H3+ in protoplanetary disks and outer solar system composition

O. Mousis, F. Pauzat+2 more|ArXiv.org|Sep 23, 2007

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 65被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、初期の太陽系円盤の大気中でH₃⁺イオンがXH₃⁺錯体の形で希ガス（Ar、Kr、Xe）を固定化することで、それらが氷惑星形成物に取り込まれるのを防いだと提案している。高水準の量子計算を用いて、これらの錯体が極めて安定であることを示し、土星の衛星タイタンやハレー型コメットにおけるKrとXeの欠乏を説明している。宇宙線や原始太陽の活動に起因するH₃⁺が、効率的な捕捉を可能にしている。

ABSTRACT

We study the efficiency of the noble gases sequestration by the ion H3+ in the form of XH3+ complexes (with X = argon, krypton or xenon) in gas phase conditions similar to those encountered during the cooling of protoplanetary disks, at the epoch of icy planetesimals formation. We show that XH3+ complexes form very stable structures in the gas phase and that their binding energies are much higher than those involved in the structures of X-H2O hydrates or pure X-X condensates. This implies that, in presence of H3+ ions, argon, krypton or xenon are likely to remain sequestrated in the form of XH3+ complexes embedded in the gas phase rather than forming ices during the cooling of protoplanetary disks. The amount of the deficiency depends on how much H3+ is available and efficient in capturing noble gases. In the dense gas of the mid-plane of solar nebula, H3+ is formed by the ionization of H2 from energetic particles, as those in cosmic rays or those ejected by the young Sun. Even using the largest estimate of the cosmic rays ionization rate, we compute that the H3+ abundance is two and three orders of magnitude lower than the xenon and krypton abundance, respectively. Estimating the ionization induced by the young Sun, on the other hand, is very uncertain but leaves the possibility to have enough H3+ to make krypton and xenon trapping efficent. Finally, additional source of H3+ formation may be provided by the presence of a nearby supernova, as discussed in the literature. Recent solar system observations show a deficiency of Ar, and, even more, of Kr and Xe in Titan and in comets. In this article, we consider the possibility that this deficiency is caused by the afore-mentioned process, namely trapping of those noble gases by H3+ ions in the solar nebula.

研究の動機と目的

• 外太陽系の形成過程において予想される豊度と対照的に、タイタンおよびコメットに観測されるキrypton（Kr）およびキセノン（Xe）の欠乏を説明すること。
• 原始惑星系円盤の冷却過程において、気相で安定なXH₃⁺錯体を介して希ガスが固定化可能かどうかを調査すること。
• 太陽系円盤の中層におけるH₃⁺を介した希ガス固定の実現可能性を、太陽系円盤の条件に即して評価すること。
• 宇宙線、原始太陽の活動、および近接する超新星が、効率的な希ガス捕集を可能にする十分なH₃⁺濃度を維持する役割を果たすかを評価すること。
• 将来的な宇宙および実験的検出を目的として、XH₃⁺錯体の理論的スペクトル的特徴を提供すること。

提案手法

• X = Ne, Ar, Kr, Xe のXH₃⁺錯体の構造、結合エネルギー、振動数を、CCSD(T)/cc-pVQZレベルの高水準量子化学計算により決定した。
• 回転および振動分光的モデリングを用いて、実験的および観測的検出のためのマイクロ波および赤外線スペクトルを予測した。
• ArD₃⁺の実験データと理論的回転定数を比較し、計算モデルの正確性を検証した。
• X·H₂Oハイドレートや純粋なX₂凝縮体の結合エネルギーと比較することで、XH₃⁺錯体の安定性を評価した。
• 宇宙線および原始太陽の活動に起因するイオン化率を評価し、太陽系円盤におけるH₃⁺濃度と希ガス濃度の相対関係を推定した。
• 近接する超新星がH₃⁺の供給源として機能し、希ガスの固定化を強化する可能性をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始惑星系円盤の条件下で、気相においてXH₃⁺錯体が安定な構造を形成し、希ガスを固定化できるか？
• RQ2 XH₃⁺の結合エネルギーは、希ガスハイドレートや純粋な希ガス凝縮体と比べてどの程度高いか？
• RQ3 太陽系円盤におけるH₃⁺濃度は、タイタンおよびコメットにおけるKrとXeの欠乏を説明するのに十分か？
• RQ4 宇宙線、原始太陽の活動、または超新星が、効果的な希ガス固定を可能にするH₃⁺濃度を維持する上で果たす役割は何か？
• RQ5 XH₃⁺錯体の理論的スペクトル的性質は、将来的な宇宙空間または実験的検出を可能にするか？

主な発見

• X = Ar, Kr, Xe のXH₃⁺錯体は、気相で極めて安定な構造を形成し、X·H₂Oハイドレートや純粋なX₂凝縮体と比較して顕著に高い結合エネルギーを示す。
• 柔軟なモデルから得られたArH₃⁺の理論的回転定数（A = 1490 GHz）は、最高精度の実験値と約2%以内で一致しており、CCSD(T)/cc-pVQZ計算の正確性が裏付けられた。
• X = Ne–Xe のXH₃⁺錯体の計算された振動数および吸光度は、明確な高周波数内部モードと低周波数のフラグメント間運動を示し、分光的同定が可能である。
• 宇宙線に起因するH₃⁺濃度は、KrとXeの欠乏を説明するのに不十分であり、それぞれKrとXeの濃度より2桁および3桁も低い。
• 原始太陽の活動または近接する超新星に起因するイオン化が、KrとXeの効率的固定化に十分なH₃⁺を供給可能であり、希ガス欠乏の妥当なメカニズムを提供する。
• XH₃⁺錯体による固定化メカニズムは、ハヤジンスおよびFUSE観測と整合的であり、タイタンおよびコメットにおけるAr、Kr、Xeの欠乏を定量的に説明可能である。