[論文レビュー] Theoretical computations on the efficiency of acetaldehyde formation on interstellar icy grains

Joan Enrique-Romero, C. Ceccarelli+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 98被引用数 38

ひとこと要約

本研究では、宇宙線氷上でのHCO + CH3ラジカル再結合によるアセトアルデヒド（CH3CHO）生成の効率を、量子化学的動力学およびRRKM理論にトンネル効果を組み合わせて計算した。反応効率は拡散エネルギーと脱着エネルギーの比（f）に強く依存し、fが0.4から0.3に低下すると、1から0.01に急激に低下することが判明した。これは、星間化学モデルで一般的に仮定されている1の効率とは矛盾するものであり、f ≈ 0.3の場合、アセトアルデヒドの生成は極めて困難である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Interstellar grains are known to be important actors in the formation of interstellar molecules such as H$_2$, water, ammonia, and methanol. It has been suggested that the so-called interstellar complex organic molecules (iCOMs) are also formed on the interstellar grain icy surfaces by the combination of radicals via reactions assumed to have an efficiency equal to unity. In this work, we aim to investigate the robustness or weakness of this assumption by considering the case of acetaldehyde (CH$_3$CHO) as a starting study case. In the literature, it has been postulated that acetaldehyde is formed on the icy surfaces via the combination of HCO and CH$_3$. Here we report new theoretical computations on the efficiency of its formation. To this end, we coupled quantum chemical calculations of the energetics and kinetics of the reaction CH$_3$ + HCO, which can lead to the formation of CH$_3$CHO or CO + CH$_4$. Specifically, we combined reaction kinetics computed with the Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) theory (tunneling included) method with diffusion and desorption competitive channels. We provide the results of our computations in the format used by astrochemical models to facilitate their exploitation. Our new computations indicate that the efficiency of acetaldehyde formation on the icy surfaces is a complex function of the temperature and, more importantly, of the assumed diffusion over binding energy ratio $f$ of the CH$_3$ radical. If the ratio $f$ is $\geq$0.4, the efficiency is equal to unity in the range where the reaction can occur, namely between 12 and 30 K. However, if $f$ is smaller, the efficiency dramatically crashes: with $f$=0.3, it is at most 0.01. In addition, the formation of acetaldehyde is always in competition with that of CO + CH$_4$.

研究の動機と目的

• 星間氷上における複雑な有機分子（iCOMs）を形成するラジカル-ラジカル反応について、効率が1であると仮定することの妥当性を評価すること。
• 星間氷上におけるHCO + CH3再結合によるアセトアルデヒド（CH3CHO）生成の効率を調査すること。
• 温度および拡散エネルギー対結合エネルギー比（f）が反応効率に与える影響を評価すること。
• 星間化学モデルへの統合を想定した、モデル用に準備された速度定数および効率値を提供すること。

提案手法

• 非晶質固体水（ASW）表面におけるHCO + CH3 → CH3CHOおよびHCO + CH3 → CH4 + COの反応のエネルギーおよび障壁を、量子化学的計算で評価。
• トンネル補正を加えたRRKM理論を用いて、温度依存の速度定数を計算。
• 拡散と脱着の競合プロセスを組み込み、有効反応効率（ε）を決定。
• 主要な制御パラメータとして、拡散エネルギー対脱着エネルギー比（f = Ediff / Edes）を計算。
• 星間化学モデルへの直接適用を可能にするために、速度定数および効率の解析的式を導出。
• サイトに依存する反応性を反映させるために、平板およびキャビティサイトを含む現実的な氷表面モデルを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星間氷上におけるHCO + CH3再結合によるアセトアルデヒド生成の真の効率は何か？
• RQ2 拡散対脱着エネルギー比（f）は反応効率および生成物分岐比にどのように影響するか？
• RQ3 量子トンネル効果は、CH3CHOと比較してCH4 + COの生成にどの程度寄与するか？
• RQ4 現在の星間化学モデルはなぜ、IRAS16293B や NGC 7538 IRS 1 などの一部の天体でアセトアルデヒドの豊度を過大評価しているのか？
• RQ5 f ≈ 0.3 の場合、観測されたアセトアルデヒドの豊度は、表面反応生成の仮定と整合するか？

主な発見

• CH3の脱着が高温で進行するため、HCO + CH3によるアセトアルデヒド生成は30 K未満の温度でのみ成立する。
• f ≥ 0.4 の場合、12–30 Kの温度範囲でアセトアルデヒド生成効率は1に達する。
• f = 0.3 の場合、30 K付近で効率がわずか0.01にピークを迎えるため、効率が著しく低下する。
• 競合反応であるCH4 + CO生成は、fが低い場合、量子トンネル効果により高い効率を示し、温度が低下するにつれて効率が上昇する。
• f = 0.3 で15 K以下の温度ではCH4 + CO生成の効率はほぼ1に達するが、アセトアルデヒド生成の効率は依然として無視できるほど小さい。
• 本研究では、fに依存する効率を考慮しない限り、現在の星間化学モデルがアセトアルデヒドの豊度を数個の桁以上過大評価している可能性を示唆している。