[論文レビュー] Thermal Desorption of Interstellar Ices:A Review on the Controlling Parameters and Their Implications from Snowlines to Chemical Complexity

Marco Minissale, Yuri Aikawa+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 301被引用数 113

ひとこと要約

天体間の氷の熱脱着パラメータ（結合エネルギーと事前指数因子）を実験的および理論的アプローチを統合して包括的に検討し、星形成・惑星形成環境における雪線と化学的複雑さへの影響を概説する。

ABSTRACT

The evolution of star-forming regions and their thermal balance are strongly influenced by their chemical composition, which, in turn, is determined by the physicochemical processes that govern the transition between the gas phase and the solid state, specifically icy dust grains (e.g., particle adsorption and desorption). Gas–grain and grain–gas transitions as well as formation and sublimation of interstellar ices are thus essential elements of understanding astrophysical observations of cold environments (e.g., prestellar cores) where unexpected amounts of a large variety of chemical species have been observed in the gas phase. Adsorbed atoms and molecules also undergo chemical reactions that are not efficient in the gas phase. Therefore, the parametrization of the physical properties of atoms and molecules interacting with dust grain particles is clearly a key aspect to interpret astronomical observations and to build realistic and predictive astrochemical models. In this consensus evaluation, we focus on parameters controlling the thermal desorption of ices and how these determine pathways toward molecular complexity and define the location of snowlines, which ultimately influence the planet formation process. We review different crucial aspects of desorption parameters both from a theoretical and experimental points of view. We critically assess the desorption parameters (the binding energies, Eb, and the pre-exponential factor, ?) commonly used in the astrochemical community for astrophysically relevant species and provide tables with recommended values. The aim of these tables is to provide a coherent set of critically assessed desorption parameters for common use in future work. In addition, we show that a nontrivial determination of the pre-exponential factor ? using transition state theory can affect the binding energy value. The primary focus is on pure ices, but we also discuss the desorption behavior of mixed, that is, astronomically more realistic, ices. This allows discussion of segregation effects. Finally, we conclude this work by discussing the limitations of theoretical and experimental approaches currently used to determine the desorption properties with suggestions for future improvements.

研究の動機と目的

• 結合エネルギーと事前指数因子が星間アイスの熱脱着を支配する仕組みを明確にする。
• 天体化学的に関連する種の脱着パラメータ（Ebとnu）を決定する実験的・理論的手法を調査する。
• 脱着パラメータがガス-氷の分配、雪線、および星形成領域と円盤の下流化学に与える影響を評価する。
• Ebとnuの批判的に評価した値を提供し、測定と計算の限界と将来の改善点を討議する。

提案手法

• 熱脱着を支配するパラメータを定義し、それらの天体物理的意味を明示する。
• 実験的方法（例：温度 programmed desorption, TPD など）をレビューし、 Ebと nu がどのように得られるかを導出する。
• 表面部位分布を含む Eb と nu の計算アプローチを説明し、表面分布と零次/一次脱着を含む。
• 単層脱着と多層脱着レジームを比較し、それに応じてTPDデータを解釈する。
• 脱着パラメータを天体化学モデルと雪線予測へ組み込むための枠組みを提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星間アイスの熱脱着を支配する主要な脱着パラメータ（結合エネルギー Eb と事前指数因子 nu）は何か。
• RQ2 実験的・理論的手法はどのように Eb と nu を決定し、不確実性と限界は何か。
• RQ3 Eb と nu（およびそれらの依存性）は、星形成領域と原始惑星系円盤における雪線とガス-氷のバランスにどのように影響するか。
• RQ4 氷の組成（純氷 vs 混合氷）と表面効果が脱着挙動と天体化学モデリングに与える影響は何か。

主な発見

• 結合エネルギー Eb と事前指数因子 nu は、熱脱着速度と氷成分の昇華温度を決定的に左右する。
• 遷移状態理論を用いた nu の非自明な決定は、推定 Eb 値に影響を与え、したがって予測される雪線に影響を与える。
• 本レビューは一般的な星間種の Eb と nu の批判的に評価された値を提供し、純氷および混合氷への適用性を論じる。
• 脱着レジーム（零次 vs 一次）は多層 versus 単層の被覆に依存し、TPDデータの解釈に影響を与える。
• 氷の昇華前線（雪線）は Eb と表面組成に敏感で、惑星形成シナリオと円盤の化学的進化に影響を与える。