c-SiC3分子在AGB星周包層中形成機理研究取得進展

2020-12-20 光明網

　　近日，一項關於c-SiC3等含矽分子在漸近巨星分支（AGB）恆星IRC+10216星周的形成機理的研究結果發表於《美國國家科學院院刊》。該成果是原子分子與化學動力學實驗、量化計算、天體化學模擬強強聯合、共同攻關的一個典型例子，展示了天體化學這門新興學科「高度交叉融合」的本質特點。此項工作由華東師範大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室研究員楊濤、中國科學院新疆天文臺天體化學團組研究員李小虎，及美國加州大學伯克利分校、夏威夷大學等的科學家合作完成。

　　AGB星是演化到晚期的恆星。它們以星風的形式不斷向其星周拋射氣體分子和塵埃，形成一個緻密而溫暖的星周包層，是宇宙中著名的「分子工廠」，尤其是距離地球最近的富碳AGB星IRC+10216。迄今為止，太空中已發現約200種星際分子，其中一半以上都可以在IRC+10216這一顆AGB星的星周探測到。近年來，AGB星周分子的相關研究引起了越來越多的實驗物理學家、理論化學家以及天體化學家的興趣。

　　在該項目實驗方面，研究人員製備了Si(3P)、Si(1D)和SiH(X2Π)三種原子和分子束，並通過雷射誘導螢光光譜標定它們相應的量子態。實驗發現，Si(3P)與CH2CCH2或CH3CCH在碰撞能量30 kJ mol-1的條件下無法反應，而Si(1D)和SiH(X2Π)卻可以與它們反應，但反應機理也各不相同。通過精確控制氣相分子動力學的方法，研究者研究了Si(1D) 與CH2CCH2或CH3CCH的反應能與勢壘、中間態分子結構等重要信息及各種可能的反應，最終發現H2解離的通道為最主要的反應通道。量化計算方面，通過ωB97X-V 密度泛函與cc-pVTZ基組對反應物、中間態和最終產物的結構進行了幾何優化和頻率計算。對過渡態的搜索，使用freezing string方法生成一個初始態結構與Hessian矩陣，之後使用P-RFO eigenvector following方法對過渡態結構進行優化，最後通過頻率計算確認最終的過渡態。通過高精度的量化計算，科研人員甄別出了H2C=C=C=Si與c-SiCH=C=CH等主要分子的產物通道，以及在Lyman-α光子作用下生成c-SiC3(X1A1)等分子的光解通道。天體化學模擬方面，將實驗和量化計算所得到的反應結果成功應用於AGB星周化學反應網絡模型，細緻研究了c-SiC3分子、SiC4分子、SiC3H2分子、CH3CCH分子及其同分異構體在IRC+10216星周的空間分布、形成和解離機制並給出了它們的豐度和柱密度等信息，為未來可能的天文觀測提供重要依據。

　　近年來，射電天文領域進展迅速，高靈敏度和解析度的望遠鏡不斷建成並成功運行，極大地促進了天體化學領域的迅速發展。高性能的射電望遠鏡包括歐洲太空總署的赫歇爾(Herschel)太空望遠鏡、智利的大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA)望遠鏡、中國貴州500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)、上海天文臺天馬(65米口徑)望遠鏡、新疆天文臺未來的QTT(110米口徑)全向可動射電望遠鏡，以及中國作為成員國之一的平方千米陣(SKA)巨型射電望遠鏡陣等。中國以及世界的天體化學領域正面臨著一個蓬勃發展的「黃金時代」。天體化學模擬與物理化學實驗以及多波段射電觀測之間的交叉融合已經成為必然趨勢。

　　此項研究得到中央高校基本科研業務費專項資金、中科院天文大科學研究中心高端用戶專項經費、國家自然科學基金委等的資助。

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IRC+10216星周分子示意圖（Li et al., A&A, 568, A111, 2014）

[ 責編：戰釗 ]

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