星の化学における一酸化硫黄の役割
宇宙における一酸化炭素の形成とその重要性を調べる。
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宇宙では、私たちの周りにたくさんの魅力的なプロセスが起こってるんだ。重要な研究分野の一つは、星の化学とその周りの物質、つまり星間物質について。ここでは、分子が形成されて相互作用して、複雑な化合物が生まれる。この記事では、特に一つの分子、炭素モノサルファイド（CS）について、その形成がどんな環境で起こるかに焦点を当てるよ。
炭素モノサルファイド（CS）って何？
炭素モノサルファイドは、炭素原子が1つと硫黄原子が1つでできたシンプルな分子なんだ。いろんな宇宙環境、例えば拡散雲や星が形成されている場所で観測されている。科学者たちはCSをガスの密度を研究するためのマーカーとして使っていて、私たちの銀河系やその先の物質についてたくさんのことを教えてくれる。
CSがどうやって形成されるかを理解するのは重要で、これは宇宙で起こる化学プロセスについての洞察を与えてくれる。これらの反応は、星が生まれる暗い雲や、もっと温かい拡散領域など、いろんな環境で起こるんだ。
CSの形成
CSの形成は簡単じゃない。いくつかの異なる反応が関わっていて、その中には開殻種も含まれる。開殻種とは、対になってない電子を持つ分子で、すごく反応性が高いんだ。
CSの形成に関わる重要な反応は次の2つだ：
- CH + S → CS + H
- C + S → CS + C
これらの反応は、低いイオン化率のエリアで起こる、つまりプロセスに干渉する電荷粒子が少ないってことだ。
反応を詳しく見てみる
反応 CH + S → CS + H
最初の反応では、炭素と水素（CH）の分子と硫黄原子（S）から始まる。これらが合わさると、CSができて水素原子（H）が放出される。
この反応はユニークで、反応が進む方法に影響を与える多くのエネルギー状態があるんだ。低温（約10 K）では、この反応が起こる速さがいろんな温度範囲でほぼ一定なんだ。これは多くの新しい星が形成され始める冷たい空間で重要な反応だよ。
反応 C + S → CS + C
2つ目の反応は、炭素原子（C）と硫黄原子（S）を含む。この反応で、CSともう1つの炭素原子が生まれる。温かい地域ではこの反応も重要で、温度に依存することを示している。冷たい温度では、反応の進行が遅くなるけど、温度が高いと速くなるんだ。
これらの反応は、コンピューターモデルを使って、挙動やCSの宇宙での全体的な存在量への寄与を予測するために研究された。
これらの反応を研究する理由は？
これらの反応とその起こる速さを研究することで、科学者たちは密な分子雲の中の硫黄化学を理解できるんだ。これらの雲は星形成にとって重要で、内部で起こっている化学プロセスを知ることが、星のライフサイクルを理解する手助けになるよ。
大きなチャレンジは、多くの硫黄を含む化合物が簡単には観測できないこと。CSは少量だけ存在するけど、全体の期待される硫黄量の不足している部分を形成している他のたくさんの硫黄化合物があるんだ。
宇宙での硫黄の観測
高度な望遠鏡を使った観測で、密な分子雲の中の多くの硫黄がロックされていて簡単には見つけられないことが確認された。宇宙では硫黄が比較的豊富にもかかわらず、硫黄を含む分子はほんの少ししか観測されていない。
この不一致は、すべての硫黄がどこにあるのかって疑問を引き起こす。一部の科学者は、検出されていない貯蔵庫の中にガスや氷の粒の中に隠れているか、あるいは現在の観測ツールから隠れている他の物質の形で存在するかもしれないと提案している。
現在の研究プロジェクト
GEMS（Gas phase Elemental abundances in Molecular clouds）などの研究イニシアチブは、星形成のさまざまな地域で硫黄、炭素、窒素、酸素などの重要な元素の豊富さを測定することを目指しているんだ。これらの元素の減少を理解することで、宇宙の化学プロセスを知る手がかりが得られる。
GEMSは、異なる元素間の関係とそれらの豊富さがさまざまな条件でどう変化するかを調査している。この研究は複雑だけど、宇宙化学をよりよく理解するためには重要なんだ。
化学モデルと予測
観測結果を解釈するために、科学者たちはさまざまな環境で異なる分子がどのように相互作用して反応するかをシミュレートする化学モデルを使っている。これらのモデルは、正確であるためには正確な反応速度が必要なんだ。
注目すべき2つの反応-CH + S → CS + H と C + S → CS + C-は、更新された反応速度を提供するために評価された。これらのモデルの結果は、研究者がCSや他の分子の予測される豊富さを実際に宇宙で観測されたものと比較するのを可能にする。
例えば、TMC 1のように、さまざまな硫黄を含む化合物で知られる地域では、新しい反応速度が既存の化学ネットワークに組み込まれて、実際の観測とどれだけ一致するかを見るために使われている。
化学モデルからの結果
新しく更新された反応速度を使った化学計算は、TMC 1のような観測データと比較したときに興味深い結果を示している。モデルは観測された炭素モノサルファイドのレベルとそれなりに一致するけど、すべての種を同時に正確に予測できるわけではないんだ。
観測された豊富さの不一致
多くの分子では予測がよく合うけど、OCSやNSのようなものは、新しい反応速度に基づく期待される範囲に収まらないことがある。これは、硫黄を含む種の化学にさらに複雑さがあることを示している。
さらに、時間の影響-化学プロセスがどれくらい続いているか-が、これらの種の豊富さを測定する上で重要な役割を果たすことが分かっている。考慮される化学的時間によって結果は大きく異なるんだ。
結論
要するに、炭素モノサルファイドとその形成反応の研究は、宇宙の化学を理解するために重要なんだ。CSを作り出す主要な反応を調べて、その速さを分析することで、科学者たちは分子雲の中の条件や、星形成、宇宙の元素の豊富さにどう関係しているかをよりよく理解できるんだ。
進行中の研究は、星間媒体における硫黄の存在についてのギャップを埋めることを目指している。まだ多くの疑問が残っているけど、情報が一つずつ増えることで、私たちの宇宙の謎を解明する手助けになっている。これらの反応の複雑さや、さまざまな分子間の相互作用は、宇宙の広大さの中で起こる化学の精緻なダンスを際立たせているんだ。
タイトル: Gas phase Elemental abundances in Molecular cloudS (GEMS) VIII. Unlocking the CS chemistry: the CH + S$\rightarrow$ CS + H and C$_2$ + S$\rightarrow$ CS + C reactions
概要: We revise the rates of reactions CH + S -> CS + H and C_2 + S -> CS + C, important CS formation routes in dark and diffuse warm gas. We performed ab initio calculations to characterize the main features of all the electronic states correlating to the open shell reactants. For CH+S we have calculated the full potential energy surfaces for the lowest doublet states and the reaction rate constant with a quasi-classical method. For C_2+S, the reaction can only take place through the three lower triplet states, which all present deep insertion wells. A detailed study of the long-range interactions for these triplet states allowed to apply a statistic adiabatic method to determine the rate constants. This study of the CH + S reaction shows that its rate is nearly independent on the temperature in a range of 10-500 K with an almost constant value of 5.5 10^{-11} cm^3/s at temperatures above 100~K. This is a factor \sim 2-3 lower than the value obtained with the capture model. The rate of the reaction C_2 + S depends on the temperature taking values close to 2.0 10^{-10} cm^3/s at low temperatures and increasing to 5. 10^{-10} cm^3/s for temperatures higher than 200~K. Our modeling provides a rate higher than the one currently used by factor of \sim 2. These reactions were selected for involving open-shell species with many degenerate electronic states, and the results obtained in the present detailed calculations provide values which differ a factor of \sim 2-3 from the simpler classical capture method. We have updated the sulphur network with these new rates and compare our results in the prototypical case of TMC1 (CP). We find a reasonable agreement between model predictions and observations with a sulphur depletion factor of 20 relative to the sulphur cosmic abundance, but it is not possible to fit all sulphur-bearing molecules better than a factor of 10 at the same chemical time.
著者: Carlos M. R. Rocha, Octavio Roncero, Niyazi Bulut, Piotr Zuchowski, David Navarro-Almaida, Asuncion Fuente, Valentine Wakelam, Jean-Christophe Loison, Evelyne Roueff, Javier R. Goicoechea, Gisela Esplugues, Leire Beitia-Antero, Paola Caselli, Valerio Lattanzi, Jaime Pineda, Romane Le Gal, Marina Rodriguez-Baras, Pablo Riviere-Marichalar
最終更新: 2023-07-01 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://arxiv.org/abs/2307.00311
ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2307.00311
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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