星間氷における主要な硫黄貯蔵庫となりうる物質、水素化硫化アンモニウム (NH4SH)

Conceitos essenciais

星間氷中の硫黄の欠乏と、遍在する 6.85 μm の吸収バンドの正体という、2 つの未解決問題を、水素化硫化アンモニウム (NH4SH) が同時に解決できる可能性がある。

Resumo

星間氷における主要な硫黄貯蔵庫となりうる物質、水素化硫化アンモニウム (NH4SH)

書誌情報: Slavicinska, K., Boogert, A. C. A., Tychoniec, Ł., van Dishoeck, E. F., van Gelder, M. L., Navarro, M. G., Santos, J. C., Klaassen, P. D., Kavanagh, P. J., & Chuang, K. -J. (2024). Ammonium hydrosulfide (NH4SH): a potential significant sulfur sink in interstellar ices. Astronomy & Astrophysics.
研究目的: 本研究では、星間氷における硫黄の欠乏と、観測される 6.85 μm の吸収バンドの起源という、2 つの未解決問題を同時に解決できる可能性のある物質、水素化硫化アンモニウム (NH4SH) について調査することを目的とする。
方法: 研究者らは、赤外線吸収分光法を用いて、15 K から 174 K までのさまざまな温度における、純粋な NH4SH 氷と、水 (H2O) を含む NH4SH 氷のスペクトルを取得した。そして、これらのスペクトルを、星形成領域における氷の観測データと比較した。
主な結果:

NH4SH の NH4+ ν4 モードのピーク位置は、温度の上昇とともにレッドシフトするが、H2O や NH3 に対する塩濃度の上昇によってもレッドシフトすることが明らかになった。
観測された 6.85 μm の吸収バンドは、実験室で得られた H2O を含む NH4SH 氷のスペクトルとよく一致した。
6.85 μm の吸収バンドから算出された NH4+ のカラム密度は、観測された一酸化炭素 (CO)、二酸化炭素 (CO2)、メタノール (CH3OH) などの主要な氷成分の量と同程度であった。
3.9 μm 付近に観測された弱くて幅広い吸収バンドは、NH4+ ν4 モードと SH- ライブレーションの組み合わせモードである可能性が示唆された。
結論:

本研究の結果は、NH4SH が星間氷中の主要な硫黄貯蔵庫となりうることを示唆している。
6.85 μm の吸収バンドは、NH4SH の存在を示す指標として利用できる可能性がある。
今後の観測的研究により、星間空間における NH4SH の存在量と分布に関するより詳細な情報が得られることが期待される。

Estatísticas

星間物質中の硫黄は、高密度星形成領域では宇宙標準存在量と比較して欠乏している。
これまでの観測では、星間氷中の硫黄含有量は、宇宙標準存在量のわずか数パーセントに過ぎないことが示されている。
NH4+ カチオンは、星間氷で観測される 6.85 μm の吸収バンドの主要なキャリアである可能性が以前から指摘されている。
NH4SH 塩は、NH3 と H2S の酸塩基反応によって容易に形成される。
実験室での測定によると、H2O を多く含む NH4SH 氷における NH4+ ν4 モードのバンド強度は 3.2(±0.3)-3.6(±0.4)×10–17 cm molec–1 である。
観測された 6.85 μm の吸収バンドから、原星および高密度雲における NH4+ のカラム密度は、H2O に対して 8～23% であると推定された。

Principais Insights Extraídos De

Ammonium hydrosulfide (NH4SH): a potential significant sulfur sink in interstellar ices

by Kate... às arxiv.org 10-07-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.02860.pdf

Perguntas Mais Profundas

星間氷中の NH4SH の存在量と分布をより正確に測定するために、どのような観測的研究が必要だろうか？

星間氷中の NH4SH の存在量と分布をより正確に測定するためには、以下の観測的研究が有効と考えられます。

赤外線分光観測の強化:

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) のような高感度な赤外線望遠鏡を用い、より多くの星間雲における NH4SH の特徴的な吸収線 (6.85 μm, 5.3 μm, 3.9 μm) を観測する。特に、5.3 μm の組み合わせバンドは、3.9 μm の SH- 伸縮モードよりも観測しやすい可能性があり、重要な指標となる。
より高いスペクトル分解能で観測を行うことで、吸収線の形状を詳細に調べ、温度や結晶構造などの物理状態をより正確に制約する。
氷の組成や温度によって変化するバンド強度を考慮した、より精密な分析モデルを構築する。

他の波長域での観測:

赤外線だけでなく、ミリ波・サブミリ波帯の電波望遠鏡を用いて、NH4SH の回転遷移輝線を探索する。これは、氷の量だけでなく、ガスの空間分布や運動状態に関する情報も得られるため、氷の形成・進化過程の理解に繋がる。
アルマ望遠鏡のような高感度・高分解能の望遠鏡を用いることで、星形成領域における NH4SH の分布を詳細に調べ、星周円盤や原始惑星系円盤への物質輸送過程における役割を明らかにする。

実験室 astrochemistry との連携:

より幅広い温度・密度・組成条件下における NH4SH 氷の分光学的特性を、実験室で系統的に測定する。これにより、観測データの解釈に必要なデータベースを拡充する。
NH4SH と他の星間氷成分との相互作用を調べる実験を行い、より現実的な氷の組成を反映したバンド強度やピーク位置の変化を明らかにする。

これらの観測的研究を総合的に進めることで、星間氷中の NH4SH の存在量と分布をより正確に測定し、宇宙における硫黄の化学進化や星・惑星形成における役割を解明できると期待されます。

星間氷中の硫黄の化学進化に、NH4SH 以外の物質がどのような役割を果たしているのだろうか？

星間氷中の硫黄の化学進化は、NH4SH 以外にも様々な物質が関与する複雑な過程であり、以下のような物質が重要な役割を果たすと考えられています。

H2S (硫化水素): 星間氷中で最も基本的な硫黄を含む分子であり、星間塵表面での水素付加反応によって形成されると考えられています。H2S は、NH4SH の前駆体となるだけでなく、他の硫黄を含む分子との反応にも関与し、硫黄化学進化の起点となります。

OCS (硫化カルボニル) や SO2 (二酸化硫黄): 星間氷中で観測されている他の硫黄を含む分子です。これらの分子は、H2S からの光化学反応や、酸素原子との反応などによって生成されると考えられています。

硫黄原子 (S) や HS ラジカル: 宇宙線や紫外線によって H2S が分解されることで生成される化学種です。これらの反応性の高い化学種は、他の分子と反応し、より複雑な硫黄を含む分子を生成する可能性があります。

塵表面: 星間塵の表面は、分子同士の反応を促進する触媒として機能します。塵表面の組成や温度によって、硫黄を含む分子の吸着・脱離や反応経路が変化し、硫黄化学進化に影響を与えます。

宇宙線: 星間空間を飛び交う高エネルギー粒子の宇宙線は、氷深部にまで浸透し、分子を分解したり、新たな化学反応を引き起こしたりします。宇宙線による化学反応は、熱的な反応では生成が難しい分子を生成する可能性があり、硫黄化学進化に多様性をもたらします。

これらの物質や物理プロセスが複雑に絡み合い、星間氷中での硫黄の化学進化が進行すると考えられています。NH4SH は、硫黄化学進化の一つの重要な終着点となりえますが、他の物質との相互作用や、星間環境における様々な物理化学的条件の影響を考慮することで、より詳細な硫黄化学進化の全体像を理解することが重要です。

NH4SH のような、一見すると無関係に見える物質の研究が、宇宙の進化に関する理解をどのように深めることができるだろうか？

NH4SH のような、一見すると無関係に見える物質の研究が、宇宙の進化に関する理解を深めることができる理由は、以下の3点に集約されます。

物質進化の追跡: 宇宙空間は、極低温・低密度という極限環境であり、地球上では見られない化学反応が起こっています。NH4SH のような物質の生成過程や存在状態を調べることで、宇宙における物質進化の過程を解明することができます。これは、星間物質から星、惑星系、そして生命へと至る物質進化の大きな流れを理解する上で欠かせないピースとなります。

生命起源物質の探索: NH4SH は、窒素と硫黄を含む物質であり、生命にとって必須元素である炭素、酸素、水素と並んで重要な元素です。星間氷中に NH4SH が存在することは、生命の材料となる有機分子が宇宙空間で生成され、地球にもたらされた可能性を示唆しています。NH4SH のような物質の研究は、生命の起源や地球外生命の可能性を探る上で重要な手がかりとなります。

宇宙における普遍性と多様性の理解: NH4SH は、地球上ではありふれた物質ですが、宇宙空間という全く異なる環境下でも存在することが明らかになりました。これは、物質の構成要素や化学法則が宇宙全体で普遍であることを示すと同時に、環境の違いによって物質の存在形態や進化の道筋が多様化することを示唆しています。NH4SH のような物質の研究を通して、宇宙における普遍性と多様性の理解を深めることができます。

一見すると無関係に思える物質の研究が、宇宙の進化、生命の起源、そして宇宙における物質の普遍性と多様性といった根源的な問いに繋がる可能性を秘めていると言えるでしょう。