[논문 리뷰] Theoretical computations on the efficiency of acetaldehyde formation on interstellar icy grains

Joan Enrique-Romero, C. Ceccarelli외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 27.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 98인용 수 38

한 줄 요약

이 연구는 우주 얇은 얼음 표면에서 HCO + CH3 라디칼 재결합을 통한 아세트알데하이드(CH3CHO) 생성의 효율성을 양자화학적 동역학과 RRKM 이론, 터널링을 고려하여 계산한다. 연구 결과, 반응 효율성은 확산 에너지 대 탈착 에너지 비율(f)에 매우 민감하며, f가 0.4에서 0.3으로 감소할수록 효율성이 1에서 0.01으로 급격히 감소함을 밝혀내, 천체화학 모델에서 일반적으로 가정하는 단위 효율성(ε=1)의 타당성을 도전하며, f ≈ 0.3일 경우 아세트알데하이드 생성이 매우 불가능할 수 있음을 시사한다.

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$_4$.

연구 동기 및 목표

• 우주 얇은 얼음 표면에서 복합 유기분자(iCOMs)를 형성하는 라디칼-라디칼 반응에 대해 단위 효율성(ε=1)을 가정하는 것이 타당한지 평가하기 위해.
• 우주 얇은 얼음에서 HCO + CH3 재결합을 통한 아세트알데하이드(CH3CHO) 생성 효율성을 조사하기 위해.
• 온도와 확산-결합 에너지 비율(f = Ediff / Edes)이 반응 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 천체화학 모델에 통합하기 위한 모델 준비 완료된 속도 상수와 효율성 값을 제공하기 위해.

제안 방법

• 비정질 고체 물(ASW) 표면에서 HCO + CH3 → CH3CHO 및 HCO + CH3 → CH4 + CO 반응의 반응 에너지 및 장벽을 양자화학 계산을 통해 수행함.
• 온도 의존적인 속도 상수를 계산하기 위해 터널링 보정을 포함한 RRKM 이론을 적용함.
• 경쟁적인 확산 및 탈착 과정을 통합하여 효과적인 반응 효율성(ε)을 결정함.
• 핵심 제어 변수로 확산 에너지 대 탈착 에너지 비율(f = Ediff / Edes)을 계산함.
• 천체화학 모델에 직접 사용할 수 있도록 속도 상수와 효율성에 대한 분석적 표현을 유도함.
• 표면의 기하학적 특성(평평한 표면 및 구멍 형태의 위치)을 고려하여 위치에 따라 다른 반응성도 반영함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주 얇은 얼음 표면에서 HCO + CH3 재결합을 통한 아세트알데하이드 생성의 진정된 효율성은 무엇인가?
• RQ2 확산 에너지 대 탈착 에너지 비율(f)은 반응 효율성과 생성물 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 양자 터널링은 CH3CHO 생성과 비교해 CH4 + CO 생성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 기존 천체화학 모델이 IRAS16293B 및 NGC 7538 IRS 1과 같은 일부 천체에서 아세트알데하이드 농도를 과도하게 추정하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 f ≈ 0.3일 경우 관측된 아세트알데하이드 농도는 고체 표면에서의 생성과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?

주요 결과

• CH3의 탈착으로 인해 HCO + CH3를 통한 아세트알데하이드 생성은 30 K 이하의 온도에서만 가능함.
• f ≥ 0.4일 경우, 12–30 K 온도 범위에서 아세트알데하이드 생성 효율성이 단위 효율성(ε=1)을 유지함.
• f = 0.3일 경우, 아세트알데하이드 생성 효율성이 약 30 K에서 뚜렷이 감소하여 최대 0.01에 불과함.
• CH4 + CO 생성 반응은 f가 낮을수록 양자 터널링 영향으로 인해 더 높은 효율성을 보이며, 온도가 낮아질수록 효율이 증가함.
• f = 0.3일 경우, 온도 ≤15 K 범위에서 CH4 + CO 생성 효율은 거의 단위 효율성에 가까워지지만, 아세트알데하이드 생성 효율은 여전히 무시무시할 정도로 낮음.
• 본 연구는 현재 천체화학 모델이 f에 따른 효율성 의존성을 고려하지 않고 ε = 1을 가정할 경우, 아세트알데하이드 농도를 수십만 배 이상 과도하게 추정할 수 있음을 시사한다.