[논문 리뷰] Low energy H+CO scattering revisited: CO rotational excitation with new potential surfaces

Benjamin C. Shepler, Benhui Yang외 7명|ArXiv.org|2007. 09. 18.

Atmospheric Ozone and ClimateEarth and Planetary Sciences참고 문헌 29인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 새로 계산된 밀도-functional 이론 기반의 전자기계적 잠재 에너지 표면(CCSD(T) 및 MRCI)를 사용하여 저에너지 H+CO 산란을 재검토하여 이전에 보고된 회전 진동 교환 단면적 간의 모순을 해결한다. 이전에 WKS 잠재 에너지 표면을 사용한 결과와는 달리, 새로운 표면들은 강한 짝수 ΔJ 경향성과 0→1 전이의 억제를 보이며, H-CO 산란이 이전에 생각한 것보다 CO를 더 적게 자극함을 시사한다. 이는 확산성 간성우주에서 H2가 支배한다는 초기 천체물리학적 가정을 뒷받_UNDERLINE{받는다}.

ABSTRACT

A recent modeling study of brightness ratios for CO rotational transitions in gas typical of the diffuse ISM by Liszt found the role of H collisions to be more important than previously assumed. This conclusion was based on quantum scattering calculations using the so-called WKS potential energy surface (PES) which reported a large cross section for the important 0->1 rotational transition. New close-coupling (CC) rigid-rotor calculations for CO(v=0,J=0) excitation by H are performed on four different PESs. Two of the PESs are obtained in this work using state-of-the-art quantum chemistry techniques at the CCSD(T) and MRCI levels of theory. Cross sections for the J=0->1, as well as other odd Delta J, transitions are significantly suppressed compared to even Delta J transitions in thermal energy CC calculations using the CCSD(T) and MRCI surfaces. This is consistent with a expected even Delta J propensity and in contrast to CC calculations using the earlier WKS PES which predict a dominating 0->1 transition. The current results suggest that the original astrophysical assumption that excitation of CO by H_2 dominates the kinetics of CO in diffuse ISM gas is likely to remain valid.

연구 동기 및 목표

• 이전의 양자 산란 계산에서 WKS 잠재 에너지 표면(PES)를 사용하여 큰 0→1 단면적을 보였던 것과, H-CO 산란에서 예상되는 짝수 ΔJ 경향성 간의 모순을 해결하기 위해.
• H-CO 체계에 대해 향상된 장거리 행동을 가진 고차원 ab initio 잠재 에너지 표면(CCSD(T) 및 MRCI)를 계산하기 위해.
• WKS PES 표면의 장거리 비대칭성 정확도 부족이 회전 진동 교환 단면적의 이질성 원인인지 테스트하기 위해.
• 확산성 간성우주(ISM) 환경에서 H 충돌이 CO 회전 진동 교환에 미치는 역할을 재평가하기 위해.
• Liszt(2006)가 이전에 주장한 바와 같이 H 충돌이 CO 회전 분포에 상당한 영향을 미친다는 천체물리학적 결론을 확인하거나 수정하기 위해.

제안 방법

• 열 에너지에서 H에 의해 자극된 CO(v=0, J=0)에 대한 라이지드-로터 양자 산란 계산을 수행한다.
• 네 가지 다른 잠재 에너지 표면(PES): 두 가지 새로운 ab initio 표면(CCSD(T) 및 MRCI)와 두 가지 기존 표면(BBH 및 WKS)을 사용한다.
• PES의 레전드르 전개를 통해 ΔJ = 1, 2, 3 전이의 상태-상태 회전 진동 교환 단면적을 계산하며, λ = |ΔJ| 결합 항목에 집중한다.
• 특히 λ = 1 성분을 중심으로 PES의 장거리 행동과 비대칭성을 분석하여 단면적 이질성의 원인을 규명한다.
• PES 간의 단면적을 비교하여 WKS 표면에서 나타나는 이례적인 0→1 전이의 기원을 규명한다.
• 회전 상태에 따라 J=1 및 J=2 진동 상태의 추가 계산을 수행하여 ΔJ=1 이상의 이질성이 모든 회전 상태에서 일관되게 나타나는지 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저에너지에서 H-CO 시스템은 동핵 유사 장거리 상호작용에 기반한 짝수 ΔJ 경향성을 보일까?
• RQ2 왜 이전 계산에서 WKS PES를 사용한 결과는 BBH PES에서 관측된 짝수 ΔJ 경향성과 모순되는 큰 0→1 전이 단면적을 예측하는가?
• RQ3 잠재 에너지 표면의 장거리 비대칭성의 미세한 세부 사항이 저에너지 비탄성 산란 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 새로운 ab initio PES(CCSD(T) 및 MRCI)가 WKS와 BBH 결과 간의 이질성을 어느 정도 해결하는가?
• RQ5 확산성 ISM에서 H-CO 충돌의 0→1 단면적은 H2 충돌에 비해 여전히 무시할 만큼 작은가, 이는 이전의 가정과 일치하는가?

주요 결과

• 새로운 CCSD(T) 및 MRCI PES를 사용한 0→1 회전 진동 교환 단면적은 BBH PES와 유사한 크기로 억제되어 있으며, WKS PES의 예측과는 상반된다.
• 새로운 표면들은 저에너지에서 H-CO 산란에 대해 예상되는 짝수 ΔJ 경향성을 재현하여 물리적 기대에 부합함을 확인한다.
• WKS PES에서 나타나는 이례적인 큰 0→1 단면적은 장거리 행동의 특이성과 증폭된 λ=1 비대칭 성분에 기인하며, 이는 장벽에 더 가까이 있고 다른 표면보다 느리게 감쇠된다.
• WKS PES의 λ=1 성분이 과도한 ΔJ=1 전이를 유도하며, 이의 장거리 비대칭성이 산란 결과의 이질성을 이끌어낸다.
• H-CO 충돌에서의 0→1 단면적은 이전에 주장된 것보다 훨씬 작으며, Chu & Dalgarno(1975) 및 Green & Thaddeus(1976)의 이전 연구와 일치한다.
• 결과적으로 H 충돌이 확산성 ISM에서 CO 회전 분포에 상당한 영향을 미친다는 천체물리학적 결론은 무효화되며, H2 및 He의 CO 자극 동역학에서의 支配성을 재확인한다.