宇宙に漂うエキゾチックな星間分子

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宇宙に漂うエキゾチックな星間分子

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Eテレのアニメ「宇宙なんちゃらこてつくん」で、「宇宙はどんな匂いがするのか？」というお話をやっていました。なんでも、宇宙ステーションに戻った飛行士の宇宙服からは、付着した星間分子である「ギ酸エチル」の芳香と、各種イオンによる「焦げたような」においがするそうで、ラズベリーを焼くとちょうどそんな香りになるのだとか。

そう、宇宙空間には原子や素粒子だけではなく、星間分子と呼ばれる化学種が存在しているのです。2022年2月現在で、実に257種の星間分子が発見されているとのことです。大きいものではベンゼンやシアノナフタレン、フラーレンなどもあるそうです。そのような分子は有機合成化学を生業としている私にも合点のいくものですが、発見された星間分子のリストを見ていると、結構な確率で地上ではマトモに存在できない分子種が記載されています。

宇宙空間は高真空状態のため、星間分子どうしの衝突確率は地上に比べてごくごく僅かとなります。そのため、超絶不安定とも思えるような分子が安定に漂っていることがままあるそうです。そこで、筆者がピックアップしたいくつかのエキゾチックな星間分子を紹介したいと思います。

H₃⁺ (プロトン化水素分子)

星間分子としても、地上で観測可能な分子としても比較的有名です。1911年、ジョゼフ・ジョン・トムソンが水素ガス中での放電実験により発見し、1990年代後半に星間分子としての観測がなされました。形式上プロトン化水素分子と呼ばれていますが、その構造は正三角形であり、3個の水素分子は完全に等価で、いわゆる三中心二電子結合を形成しています。詳しい解説は Wikipedia に譲りますが、これが多量に存在しているという宇宙空間、恐るべしです。

•OH (ヒドロキシルラジカル)

非常に高い反応性を有する活性酸素・フリーラジカルの一種で、生体内で生じた場合は周りの分子と即座に反応し傷害を引き起こす、ある意味悪名高い分子です。本分子種は水が三電子還元されたものにあたり、実験室的には Fenton 反応により過酸化水素から発生させることができます。地上での単離はほぼ不可能ですが ESR を用いたスピントラップ法などにより間接的に定量が可能です。一方、超低密度・高真空の宇宙空間では反応する相手にまず出会わないため、ヒドロキシルラジカルでさえも安定に存在が可能となります。活性酸素研究者でもある筆者からするとかなり違和感を覚える事実です。

HCCS⁺ (thioketenylium)

2022 年に報告された最新の星間分子です。冷たい暗黒星雲に存在し、形式としては、多量に存在する •C=C=S ラジカルがプロトン化された分子種だとか。ちなみに分子型のチオケテン H₂CCS も星間分子として報告されています。単純なチオケテン自体、地上では超不安定でマトモに存在できない分子です。じゃあ HCCS⁺なんてましてや…となりますが、–4Kの極低温を誇る暗黒星雲では普通に存在できてしまうのでした。

CF⁺ (fluoromethylidynium)

分子式からしてどうみても異常に見えますが、以下の式により発生するそうです。

なんかいろんな合成に利用できそうとも思ってしまいますが、それどころの反応性じゃなさそうですね。

フッ素でなく水素原子を有する CH⁺ (methylidinium) は古くに発見された星間分子の一つで、天文学上は今現在も注目すべき分子のようです。

「CH⁺は特殊な分子です。CH⁺は特殊な分子で、生成するのに多くのエネルギーを必要とし、反応性が高いため、寿命が短く、遠くへ移動することができないのです。このため、CH⁺は銀河とその周辺におけるエネルギーの流れを追跡しているのです」と、ESOの天文学者マーティン・ズワーン氏はこの論文に寄稿しています。

https://www.eso.org/public/news/eso1727/ の一文を DeepL翻訳し引用

CH₃C₇N (Methylcyanotriacetylene)

星間分子として観測され、その後地上で合成に成功したとする報告のある分子です。めっちゃ真っ直ぐです。

“Low Temperature Synthesis and Phosphorescence of Methylcyanotriacetylene”, Urszula Szczepaniak et al., J. Phys. Chem. A, 2018, 122, 1, 89–99, DOI: 10.1021/acs.jpca.7b09728

HeH⁺ (水素化ヘリウムイオン)

ビッグバン直後の宇宙から存在する、宇宙最初のイオンとされる物質です。ヘリウム化合物はさすがの宇宙空間でも本イオンしか発見されていないようです。

ビッグバン直後の宇宙に存在した原子は、ほとんどが水素とヘリウムだけだった。ビッグバンから約10万年後、この2種類が結合し、宇宙で最初の分子（イオン）である「水素化ヘリウムイオン」が形成されたと考えられている。その後、水素化ヘリウムイオンと水素原子が結合して水素分子が作られ、宇宙で最初に誕生した恒星の主要な材料となった。

水素化ヘリウムイオンは現在の宇宙にも存在するはずだとみられ、1925 年には実験室でこのイオンを合成することにも成功したが、これまで実際に検出されたことはなく、数十年にわたって探されてきた。その候補天体の一つが、はくちょう座の方向約 3000 光年彼方に位置する惑星状星雲「NGC 7027」である。星雲中に存在する年老いた星からの紫外線放射や熱が、イオン形成に適した環境を作り出していると考えられたからだ。

(中略)

研究チームでは、水素化ヘリウムイオンを検出できるようにテラへルツ波受信器「GREAT」をアップグレードして、2016年に NGC 7027 を観測した。そして見事に、水素化ヘリウムイオンの存在を示すシグナルをはっきりととらえることに成功した。「水素化ヘリウムイオンを見つけるには、正しい場所を適切な機器を使って観測する必要があったのです。SOFIAは完璧にミッションをこなしました」（米・SOFIA 科学センター Harold Yorkeさん）。

今回の発見によって、水素化ヘリウムイオンが実際に宇宙に存在する証拠が得られ、初期宇宙から現在まで進んできた複雑な化学に関する、基本的な理解における重要な部分が裏付けられた。「あの場に居合わせ、水素化ヘリウムイオンの存在を示す初のデータを目にしたことは、実にエキサイティングでした。長きにわたったイオン探しはハッピーエンドに終わり、初期宇宙における基本的な化学に関する疑問が取り除かれました」（Güstenさん）。

AstroArts様の記事より引用 https://www.astroarts.co.jp/article/hl/a/10606_heh