北大,ガス雲中の氷の振舞いを実験で観察

北海道大学は,星が生まれるガス雲中の氷(星間氷)を模した氷が,–220~–120℃で液体のようにふるまうことを発見した。さらに,紫外線を照射した純水の非晶質氷も液体化し,この液体化が水を含む氷の特性であることも発見した(ニュースリリース)。

分子雲の中では,約-263℃の低温で揮発性元素(水素,炭素,窒素,酸素)が多様な分子をつくり,また氷(星間氷)としても存在している。星間氷については,その表面で多様な分子が生成されていることや,紫外線の照射によって氷内の分子の結合が切られ,それらの分子を材料に複雑な有機物がつくられることが知られており,彗星や地球外物質中に発見される高分子有機物の起源と考えられている。

星間氷は,天文観測や太陽系探査で注目されている宇宙有機分子形成の「ゆりかご」であると言えるが,これまで,有機物形成の場となる星間氷そのものの性質についてはよくわかっていなかった。

今回研究グループは,分子雲と同じくらい低温まで冷やした基板(金や酸化アルミニウム)の上に水,メタノール,アンモニアの混合ガスを吹きつけ,同時に紫外線を照射することで模擬星間氷を作成し,氷から昇華してくるガスを四重極型質量分析計で分析した。さらに,電子顕微鏡内で純粋な水からなる水氷の非晶質膜を生成し,紫外線照射を行ない非晶質化させ,温度を上げて形状変化を観察した。

その結果,恒星や惑星が誕生する分子雲に存在する氷(星間氷)を模した紫外線照射非晶質氷が,-210〜-120℃の低温で液体的にふるまうことを発見した。また,純粋な水からなる氷も紫外線照射により-220〜-130℃で液体状になることを発見し,紫外線照射で現れる液体的なふるまいが,水氷に特徴的な現象であることを発見した。これは,紫外線を照射した非晶質氷に液体的なふるまいが現れる可能性を示したもの。

宇宙においても紫外線の「照射総量」が液体状氷の発現条件であった場合,分子雲では,10万年から100万年の紫外線照射で液体状の氷が現れることになる。これは分子雲の寿命を考えると起こりうる。

逆に,紫外線の「時間あたりの照射量」が発現条件であった場合には,分子雲の氷では液体状氷は現れないことになるが,分子雲からつくられる原始惑星系円盤が周囲の恒星から照らされるような場合に,円盤中の氷が短時間に充分な紫外線照射を受け,液体状の氷が現れる可能性がある。

液体状氷の中では有機分子形成反応の促進が期待されるため,星間氷の液体的なふるまいは,宇宙での有機物の効果的な生成を手助けしている可能性がある。

また,惑星形成の第一歩は星間氷などの塵の付着成長だが,液体状の氷は塵が衝突して合体する効率(付着効率)を上げる可能性がある。低温での紫外線照射非晶質氷の液体的なふるまいは,惑星材料の中での有機分子の合成と,惑星形成の第一歩である塵の集積過程の理解につながると期待されるとしている。

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