星間ダスト表面におけるH2オルソ・パラ転換効率の評価 -吸着水素分子の回転エネルギー差が化学進化時間に影響-

2026-04-17 分子科学研究所

本研究は、理化学研究所などの共同研究チームが、星間ダスト表面における水素分子(H₂)のオルソ・パラ核スピン転換が、星形成領域の化学進化に与える影響を理論的に解明したものである。ダスト表面に吸着したH₂は回転運動が制限され、オルソ・パラ間の回転エネルギー差が変化する点に着目し、気相と表面過程を統合した数値モデルで転換速度を評価した。その結果、ダスト表面での転換はオルソ・パラ比の平衡値自体ではなく、そこに至る時間を大幅に短縮することが判明。特に低温・高密度条件で顕著に作用し、重水素濃縮など分子進化を加速することが示された。本成果は星形成環境の進化時間推定や惑星材料の起源解明に寄与する。

星間ダスト表面におけるH2オルソ・パラ転換効率の評価 -吸着水素分子の回転エネルギー差が化学進化時間に影響-
星間空間(分子雲)のダスト表面で起こる水素分子(H2)のオルソ・パラ核スピン転換(背景画像は©NASA)

<関連情報>

不均一な結晶粒表面におけるH₂オルト-パラスピン変換。II. 吸着オルト-H₂とパラ-H₂の回転エネルギー差の影響と重水素分画化学への示唆 H2 Ortho–Para Spin Conversion on Inhomogeneous Grain Surfaces. II. Impact of the Rotational Energy Difference between Adsorbed Ortho-H2 and Para-H2 and Implication for Deuterium Fractionation Chemistry

Kenji Furuya, Toshiki Sugimoto, Kazunari Iwasaki, Masashi Tsuge, and Naoki Watanabe
The Astrophysical Journal  Published: 2026 April 6
DOI:10.3847/1538-4357/ae43e3

Abstract

We investigate how the H2 ortho-to-para ratio (OPR) and deuterium fractionation in star-forming regions are affected by nuclear spin conversion (NSC) on dust grains. Particular focus is placed on the rotational energy difference between ortho-H2 (o-H2) and para-H2 (p-H2) on grain surfaces. While the ground state of o-H2 has a higher rotational energy than that of p-H2 by 170.5 K in the gas phase, this energy difference is expected to become smaller on solid surfaces, where interactions between the surface and adsorbed H2 molecules affect their rotational motion. A previous study by K. Furuya et al. developed a rigorous formulation of the rate for the temporal variation of the H2 OPR via the NSC on grains, assuming that adsorbed o-H2 has higher rotational energy than adsorbed p-H2 by 170.5 K, as in the gas phase. In this work, we relax the assumption and reevaluate the rate, varying the rotational energy difference between their ground states. The reevaluated rate is incorporated into a gas-ice astrochemical model to study the evolution of the H2 OPR and the deuterium fractionation in prestellar cores and the outer, cold regions of protostellar envelopes. The inclusion of the NSC on grains reduces the timescale of the H2 OPR evolution and thus the deuterium fractionation, at densities of ≳104 cm−3 and temperatures of ≲14–16 K (depending on the rotational energy difference), when the ionization rate of H2 is 10−17 s−1.

1701物理及び化学
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