[論文レビュー] The electronic spectra of protonated PANH molecules

Jennifer A. Noble, Claude Dedonder+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 45被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、光分解分光法とab initio計算を用いて、プロトン化された窒素置換多環芳香族炭化水素（H⁺ PANHs）であるプロトン化アクリジンおよびプロトン化フェナントリジンの電子スペクトルを調査した。これらの小さなH⁺ PANHsのスペクトルは既知の拡散性星間帯域（DIBs）と一致しないが、結果から、外部骨格に窒素を有する平面的構造を有するより大きなH⁺ PANHsは、紫外可視領域で狭帯域で赤方シフトした電子遷移を示すことが示唆され、光化学的安定性と星間観測と一致するスペクトル特徴を有するため、DIBのキャリアとして強い候補であることが示された。

ABSTRACT

Aims. This study was designed to examine the viability of protonated nitrogen-substituted polycyclic aromatic hydrocarbons (H+PANHs) as candidates for the carriers of the diffuse interstellar bands (DIBs). Methods. We obtained the electronic spectra of two protonated PANH cations, protonated acridine and phenanthridine, using parent ion photo-fragment spectroscopy and generated theoretical electronic spectra using ab initio calculations. Results. We show that the spectra of the two species studied here do not correspond to known DIBs. However, based on the general properties derived from the spectra of these small protonated nitrogen-substituted PAHs, we propose that larger H+PANH cations represent good candidates for DIB carriers due to the expected positions of their electronic transitions in the UV-visible and their narrow spectral bands.

研究の動機と目的

• 拡散性星間帯域（DIBs）のキャリアとしてのプロトン化窒素置換多環芳香族炭化水素（H⁺ PANHs）の妥当性を評価すること。
• 実験室内でガス相のH⁺ PANHカチオン2種（プロトン化アクリジンおよびプロトン化フェナントリジン）の電子スペクトルを測定すること。
• 実験的スペクトルを既知のDIBsと比較し、帯域幅や振動準位の進行といったスペクトル特徴を評価すること。
• より大きなH⁺ PANHsにおけるスペクトル特性に影響を与える構造的および電子的要因を探索し、DIBキャリアの改善を図ること。
• 外部骨格に存在する窒素へのプロトン化が、星間吸収特徴に適したスペクトル安定性および狭帯域特性を向上させるかどうかを特定すること。

提案手法

• 冷却されたクアッドロールイオントラップを用いた親イオン光分解分光法を採用し、ガス相H⁺ PANHカチオンの電子スペクトルを記録した。
• オーロス大学で電噴霧イオン化を用いてプロトン化イオンを生成し、ポールトラップに捕らえてスペクトル分析を行った。
• 理論的電子スペクトルを模擬するため、ab initio量子化学計算を用いた。
• 親イオンを分離し、分光測定中に断片イオンの干渉を最小限に抑えるために質量ゲーティングを適用した。
• 帯域幅補正済み半値全幅（FWHM）を測定し、スペクトル分解能およびDIBsとの一致度を評価した。
• 電子遷移における振動準位の進行を分析し、より大きなH⁺ PANHsにおける孤立した狭帯域の可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小さなプロトン化PANHカチオン（H⁺ アクリジンおよびH⁺ フェナントリジン）の電子スペクトルは、紫外可視領域で既知の拡散性星間帯域（DIBs）と一致するか？
• RQ2 H⁺ PANHsにおけるスペクトル帯域幅および振動準位の進行は、観測されたDIBsと比較してどのように異なるか？
• RQ3 窒素の位置（外部骨格対内部骨格）や分子の平面性といった構造的特徴が、H⁺ PANHsにおけるスペクトル安定性および狭帯域特性をどのように向上させるか？
• RQ4 50個以上の炭素原子および複数の窒素原子を有するより大きなH⁺ PANHsは、DIBキャリアに適した赤方シフトした狭帯域電子遷移をどの程度示すか？
• RQ5 窒素へのプロトン化は、ラジカルカチオンと比較してPANHsの電子構造および光化学的安定性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• プロトン化アクリジンの最初の電子遷移は4422.4 Åに中心を置き、帯域幅補正済みFWHMが15 Å未塔であるため、狭帯域スペクトル特徴を示している。
• このバンドは、最も強い既知のDIB（4428.2 Å、FWHM 22.50 Å）から約6 Åシフトしており、その特徴のキャリアではないと示唆されている。
• H⁺ アクリジンおよびH⁺ フェナントリジンのスペクトルに、他の強いバンドは認められず、これらの小さな分子では振動準位の進行も限定的である。
• H⁺ PANHsの閉殻構造は、開殻ラジカルカチオンと比較して、励起状態寿命が長く、光化学的安定性が高いため、星間環境での存続可能性が向上する。
• 外部骨格に窒素を有するより大きなH⁺ PANHsは、拡張した芳香族系における振動結合の低減により、より少ない振動減衰と、より孤立した狭帯域が予測される。
• 本研究の結論として、小さなH⁺ PANHsは既知のDIBsと一致しないが、特に狭帯域および赤方シフトした遷移を示すスペクトル特性が、より大きな安定性を持つ種に拡張された場合、DIBキャリアとしての可能性を支持する。