星际空间大分子(分子团簇)的形成过程和光化学演化的研究中取得新进展

发稿时间:2019-05-08,作者:浏览次数:406

近日,中国科学技术大学物理学院天文学系特任研究员甄军锋,通过设计搭建新颖的实验仪器平台,在已有天文观测数据的基础上,通过模拟星际空间中各种不同的化学和物理条件,从分子尺度层面,对星际空间大分子(多环芳烃化合物,富勒烯和大分子团簇)的形成过程和演化机理开展了研究并取得新进展。该团队提出了大分子团簇在星际介质中的形成与演化机制猜想,并通过实验与理论计算对这一猜想进行了验证,其研究成果分别发表在天文学国际杂志天文与天体物理学报(Astronomy & Astrophysics,2019,623,A102)和皇家天文学会月报(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,2019,486,3259)。甄军锋研究员为这两篇文章的第一作者和通讯作者。
多环芳香烃化合物(PAHs, Polycyclic Aromatic Hydrocarbons)及其衍生化合物(包括分子团簇和富勒烯)基本确定是各种天体物理对象中检测到的中红外发射特征的光谱载体。在星际空间中,吸收紫外光辐射的多环芳烃化合物的光化学过程在星际空间中物理和化学环境的演化过程中起着关键作用,尤其是大质量的PAHs(30至100个C原子)及其衍生分子团簇。预期在星际空间中存在的PAHs及其衍生物的分子质量和分子丰度是很大的,包含多达10至15%的星际空间中的碳元素。另外,大质量的PAHs分子团簇的形成与演化的实验研究对研究星际尘埃的形成过程具有重要的意义。
甄军锋团队使用一套基于四级杆离子过滤器,球形离子阱和反射式时间飞行质谱搭建的实验仪器平台以及配套的大分子离子团簇的产生装置和一套激光光源系统,实验室模拟了在气相条件下大质量PAHs分子团簇的形成与光化学演化过程(图一和图二分别展示了在没有激光照射和有激光照射的情况下,形成的大质量的PAHs分子团簇的质谱图,Astronomy & Astrophysics,2019,623,A102)。
 图一:在没有激光照射情况下,形成的大质量的PAHs分子团簇的质谱图。
 图二:在激光照射情况下,形成的大质量的PAHs分子团簇的质谱图。
结合量化计算(图三展示了量化理论计算获得的PAHs分子团簇的形成过程,Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,2019,486,3259),对理解和构建大质量PAHs分子团簇在星际空间中的形成过程和演化框架给出了理论性指导。
 图三:量化理论计算获得的PAHs分子团簇的形成过程。
这些新形成的大分子团簇可以看作是小尺寸星际尘埃的模型或者是大尺寸星际尘埃的主要组成部分,为将来拓展从星际大分子拓展到星际尘埃的实验研究,即为下一步将研究工作重点从星际大分子(约50-120个碳氢原子)扩展到星际尘埃(大于200个碳氢原子,或尺寸大于3纳米)打下了良好的基础。
本项研究得到中央高校基本科研业务费专项资金和国家自然科学基金的资助。