宇宙の極低温下でもガスが凍りつかない理由とは？

様々な分子が極低温の環境下で凍りつかずにガスの状態で存在できる。
この理由を調べるための研究が行われました。

研究では実験室に宇宙空間を再現。

光の届かない冷たい宇宙空間に漂う氷の微粒子から分子がガスの状態で放出される仕組みが、世界で初めて明らかになります。

この研究結果がガスの状態で存在できる理由を示すことになったんですねー


極低温の領域

宇宙空間には摂氏マイナス263度という極低温の領域“分子雲”が存在し、近年の観測技術の発達により、これまで見ることが出来なかった分子雲の様子も解明されつつあります。

そして明らかになってきたのが、分子雲には大量の氷星間チリが浮遊していることや、有機物を含む多種多様な分子がガスとして存在していることでした。

これらの分子や氷星間チリが長い時間をかけて集まることで分子雲内に星が生まれます。

でも極低温の環境では、水素などの軽い分子を除くほとんど全ての原子や分子は氷星間チリに付着し、そのまま凍りついてしまうので、ガスとしては存在できないはずなんですねー

さらに分子雲には、氷の表面の分子を蒸発させるために必要な紫外線などのエネルギー源がないので、極限環境で分子がガスとして存在できるメカニズムは謎になっていました。


分子の化学反応

今回、北海道大学低温科学研究所の研究チームが実験で検証したのは、氷星間チリの表面で化学反応が起こるときに分子がガスとして放出されるという理論モデルでした。

用意したのは宇宙空間と同じ超高真空を再現する実験装置。

この装置内に極低温で光なども存在しない分子雲と同じ環境を再現し、摂氏マイナス263度の疑似的な氷星間チリを作成しています。

実験では硫化水素分子を氷の表面に付着させ、氷星間チリに実際に存在することが知られている水素原子をこの氷と反応させて、その様子を赤外線吸収分光法で観測。

すると、硫化水素と水素原子の化学反応により、氷表面から硫化水素がガスとして効率よく放出されることに…

そう、光などのエネルギーがない極低温の宇宙空間で、氷星間チリからガスが放出される仕組みを実証できたんですねー

分子雲で起こる化学反応によって、 氷星間チリの表面から分子が放出されることを示した図

分子の進化

今回の実験結果から、多種多様な分子が凍りつくことなくガスとして分子雲に存在できる理由が明らかにされ、長年の天文学の謎が解かれました。

分子は氷星間チリの表面やガスの状態で化学反応を起こすことによって、種類を増やしていきます（分子進化）。

なので、氷星間チリからガスが放出されるメカニズムを解明した今回の成果は、宇宙における分子進化を理解するうえでも重要なものになるんですねー

さらに、これまでは非常に小さな氷の表面に弱く結合した分子が、化学反応によって表面から飛び出すかどうかということも解明することができました。

今後期待されるのが、分子雲のガス組成がどうように決定されるのかについて、より定量的で詳細な議論を行うことができるようになること。

これにはメタノールなど他の分子で同様の実験を行うことが必要になるようです。


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