北大，水素分子のエネルギー状態の変化を観測

北海道大学は，極低温氷表面で，水素分子の原子核スピン転換に伴うエネルギー状態の変化を観測することに成功した（ニュースリリース）。

水素分子は宇宙で最も存在量の多い分子で，宇宙における多種多様の分子生成に関与している。水素分子は宇宙空間に浮遊する極低温の氷微粒子上で２つの水素原子が合体して生成する。水素分子を構成する水素原子には原子核が存在し，そのスピンの向きの違いから，水素分子にはオルソとパラという異なるエネルギー状態が存在する。

オルソ状態はパラ状態よりもエネルギーが高いため，より化学反応を促進することができる。したがって，氷微粒子上で生成した水素分子がどちらのエネルギー状態で宇宙空間に放出されるかは，その後の多くの分子生成（分子進化）に大きく影響する。

このエネルギー状態は水素分子が一度氷微粒子から放出されると変化しないため，氷微粒子上での状態変化の有無に大きな関心が向けられていた。

最近の研究から，氷微粒子上でオルソ状態からパラ状態に変化すること自体は分かってきたが，状態の時間変化率が氷微粒子の温度とともにどう変化するのか，また，そのメカニズムについては未解明だった。こうした知見は宇宙における分子進化を正しく理解するために必要不可欠なもの。

研究では，実験室で宇宙空間に存在する氷微粒子を模擬的に作り，その表面で水素分子のエネルギー状態がオルソからパラに変化する様子を，様々な温度で観測することに初めて成功した。

独自に開発した真空実験装置内に，宇宙に浮遊する極低温（－263℃程度）の氷微粒子表面を再現し，そこへ水素分子を付着させた。

付着から一定時間の後，弱いレーザー光で表面上の水素分子を真空中に蒸発させ，蒸発した水素分子のエネルギー状態を色素レーザーを用いて分析した。

このようにして，オルソ及びパラのエネルギー状態に存在する分子数比（オルソ/パラ比）の時間変化をモニターすることが可能になった。この測定を，氷表面温度を変えて繰り返し，エネルギー状態の時間変化率の温度依存性を得た。

極低温の氷表面で，水素分子のオルソ/パラ比は時間とともに減少し，低いエネルギー状態のパラの割合が増加した。オルソ状態からパラ状態への時間変化率を氷表面温度－264℃から－257℃の範囲で測定したところ，測定範囲のわずか５℃の違いで，変化率が急激に上昇することが分かった。

この温度依存性から，エネルギー状態の変化率を支配する物理機構が明らかになった。宇宙では水素分子が氷微粒子表面で生成したときの氷の温度や，水素分子が氷微粒子から宇宙空間に放出されるタイミングによって，水素分子のエネルギー状態が異なることが本研究により初めて明らかになった。

この研究は，宇宙における分子進化のスタートラインである水素分子のエネルギー状態と，その状態を決定するメカニズムを提示した画期的なものだとしている。

水素分子が氷微粒子表面で生成し，初めて宇宙空間に放出される際のエネルギー状態は，その後に続く分子進化に決定的な意味を持つ。これまで，そのエネルギー状態の変化率は氷微粒子の温度に関わらず一定であると考えられてきたが，この研究によりそれが間違いであったことが分かった。

この結果は，従来の分子進化モデルの再構築を促し，宇宙における分子の生成・進化の研究に新たな展開をもたらすことが期待されるものだという。