北海道大學低溫科學研究所的渡部直樹教授等人組成的研究團隊，與理化學研究所仁科加速器科學研究中心的中井陽一專任研究員合作，利用新開發的方法成功測定了在極低溫冰表面OH自由基開始行程的溫度。
圖1 存在於漂浮在宇宙空間的冰微粒子表面的OH自由基示意圖。（供圖：北海道大學）
OH自由基是由水分子（H2O）失去一個氫原子（H）形成的物質，具有非常容易產生化學反應的性質。漂浮在宇宙空間的極低溫冰微粒子表面存在着大量的OH自由基，這些OH自由基被認爲對包括有機分子在内的各種分子的產生起着很大的作用。在恆星誕生很久以前的超低溫宇宙（-237℃）中，分子如何誕生，以及演化到何種複雜程度等，都取決於漂浮在宇宙中的超低溫冰微粒子（0.0001mm左右）表面發生的特殊化學反應。特別是存在於冰表面的高反應性OH自由基的反應起着重要的作用。但要想在實驗室再現宇宙冰微粒子，調查冰表面的OH自由基的行為，需要以往沒有的高靈敏度、非破壞性的檢測方法。
圖2 低溫科學研究所研製並用於本研究的實驗裝置。在用於再現宇宙環境的超高真空槽中心部製作了極低溫的冰。後面的藍色裝置爲色料雷射發生器，用於檢測OH自由基。（供圖：北海道大學）
研究團隊在低溫科學研究所獨立開發的真空實驗裝置内再現了漂浮在宇宙中的極低溫冰微粒子，透過照射紫外光破壞一部分水分子（H2O→OH+H）在冰表面生成了OH自由基。用雷射從冰表面釋放該OH自由基，再使用其他雷射對釋放出的OH自由基進行分析檢測，由此來觀察冰表面存在的OH自由基。當達到OH自由基開始在冰表面行程的溫度時，OH之間會發生化學反應（OH+OH→H2O2），所以OH自由基的數量會減量。爲了研究該溫度與OH自由基數的關係，研究團隊測定了冰表面存在的OH自由基運動所需的能量。
透過實驗確定OH自由基開始運動所需的能量後，研究團隊根據能量計算了各種溫度條件下OH自由基在在冰表面運動的速度。冰微粒子上的化學演化需要以10萬年的時間尺度來考慮，研究團隊因此估算了10萬年間可以在冰星際塵埃（直徑0.0001mm左右）表面活動的溫度。
結果發現，在極低溫宇宙環境中存在的冰微粒子表面，超過約-237℃時OH自由基的運動會變活躍，並促進分子演化。隨着星際分子雲中星體的不斷生成，其環境溫度會逐漸升高。在-263℃左右的極低溫下，蓄積在冰表面的OH自由基隨着溫度擧升開始運動，發生活躍的分子演化。透過定好的溫度進行化學演化類比，可以更準確地理解OH自由基所涉及的分子演化程序。
渡部教授表示「本次開發使用了2種雷射，開發從冰表面釋放出OH並進行分析的方法花費了很長時間。今後，我們希望使用這種方法，調查與生命起源相關的複雜有機分子原料CH3和HCO等自由基在冰表面的行為」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Astrophysical Journal Letters
論文：Direct Determination of the Activation Energy for Diffusion of OH Radicals on Water Ice
DOI：10.3847/2041-8213/ac9d30
