実験室での研究により、炭素原子が星間氷粒の表面でどのように拡散して、宇宙化学の複雑さを解明するために重要な複雑な有機（炭素ベース）化合物を形成するのかが明らかになりました。宇宙で検出される有機分子のリストとそれらがどのように相互作用するかについての理解は、直接観察技術の継続的な改善のおかげで着実に拡大していますが、複雑なプロセスを明らかにする室内実験も重要な手がかりを提供する可能性があります。
星間氷上の有機化合物の形成を芸術的に描いたもの。出典：柘植正史
北海道大学の研究者らは、日本の東京大学の同僚と協力して、星間氷粒における炭素原子の中心的な役割についての実験室ベースの新たな洞察を学術誌「ネイチャー・アストロノミー」に報告した。
宇宙で最も複雑な有機分子の一部は、極低温で星間の氷の粒子の表面で生成されると考えられています。この目的に適した氷の粒子が宇宙に豊富に存在することがわかっています。
すべての有機分子は、結合した炭素原子の骨格に基づいています。ほとんどの炭素原子は、最初は星の中での核融合反応によって形成され、最終的には星が超新星爆発で消滅するときに星間空間に分散されます。しかし、複雑な有機分子を形成するには、炭素原子が氷の粒子の表面で凝集し、パートナー原子と出会い、それらと化学結合を形成するメカニズムが必要です。新しい研究は、可能性のあるメカニズムを示唆しています。
30 ケルビン (摂氏マイナス 243 度 / 華氏マイナス 405.4 度) を超えると、炭素原子が拡散して結合し、二原子炭素 C2 を形成します。出典:MasashiTsuge et al.、Nature Astronomy。 2023 年 9 月 14 日
北海道大学極低温科学研究所の化学者、柘植正志氏は、「私たちの研究では、実験室で実現可能な星間条件を再現し、氷粒子の表面で弱く結合した炭素原子の拡散反応を検出し、C2分子を生成することができた。C2は二原子炭素としても知られ、2つの炭素原子が結合した分子であり、その形成は拡散した炭素原子が存在することの具体的な証拠である」と述べた。星間の氷の粒子について。」
この研究では、この拡散は 30 ケルビン (摂氏マイナス 243 度 / 華氏マイナス 405.4 度) を超える温度で発生する可能性があり、宇宙では炭素原子の拡散が活性化するのにわずか 22 ケルビン (摂氏マイナス 251 度 / 華氏零上 419.8 度) しか必要としないことがわかりました。
論文の筆頭著者で責任著者の都築雅史氏（左）と共著者の渡辺直樹氏（右）。出典：柘植正史
Zhezhi氏は、今回の発見により、これまで見落とされていた化学プロセスが、炭素原子を継続的に追加することによってより複雑な有機分子がどのように構築されるかを説明する枠組みに組み込まれたと述べた。彼は、これらのプロセスは、惑星が形成される星の周りの原始惑星系円盤で発生する可能性があると信じています。必要な条件が揃うと、いわゆる半透明の雲が発生し、最終的に星形成領域に発展することもあります。これは、生命を誕生させた可能性のある地球上の化学物質の起源も説明できるかもしれません。
生命の起源に関する疑問に加えて、この研究は、宇宙全体の炭素ベースの化学を構成する可能性がある、そして現在も構築する可能性があるさまざまな化学反応に根本的な新しいプロセスを追加します。
著者らはまた、宇宙における複雑な有機化学物質の生成に関する現在の理解をより一般的に要約し、炭素原子の拡散によって引き起こされる反応が現在の状況をどのように変える可能性があるかを考察している。