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c-SiC3分子在AGB星周包層中形成機理研究取得進展
2019-08-05 19:03:00| 【 【打印】【關閉】

  近日,一項關于c-SiC3等含矽分子在漸近巨星分支(AGB)恒星IRC+10216星周的形成機理的研究結果發表于《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楊濤研究員、中科院新疆天文台天體化學團組李小虎研究員,及美國加州大學伯克利分校、夏威夷大學等科學家合作完成。 

  AGB星是演化到晚期的恒星。它們以星風的形式不斷向其星周抛射氣體分子和塵埃形成一個致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。迄今爲止,太空中已發現約200種星際分子,其中一半以上都可以IRC+10216這一顆AGB的星周探測到。近年來,AGB星周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 

 

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

  在該項目實驗方面研究人員制備了Si(3P)、Si(1D)和SiH(X2Π)三種原子和分子束,並通過激光誘導熒光光譜標定它們相應的量子態實驗发现,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)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反應能与势垒、中间态分子结构等重要信息及各种可能的反應,最终发现H2解離的通道爲最主要的反應通道。量化计算方面,通过ωB97X-V 密度泛函与cc-pVTZ基组对反應物、中间态、和最终产物的结构进行了几何优化和频率计算。对过渡态的搜索,使用freezing string方法生成一个初始态结构与Hessian矩阵,之后使用P-RFO eigenvector following方法对过渡态结构进行优化,最后通过频率计算确认最终的过渡态。通過高精度的量化計算,科研人員甄別出H2C=C=C=Si與c-SiCH=C=CH等主要分子産物通道,以及在Lyman-α光子作用下生成c-SiC3(X1A1)等分子的光解通道。天体化学模拟方面,将實驗和量化计算所得到的反應結果成功應用于AGB星周化学反應网络模型,細致研究了c-SiC3分子、SiC4分子、SiC3H2分子、CH3CCH分子同分異構體在IRC+10216星周的空间分布、形成和解離機制並給出了它們的豐度和柱密度等信息,爲未來可能的天文觀測提供重要依據。 

  近年來,射电天文领域进展迅速,高灵敏度和分辨率的望远镜不断建成并成功运行,极大的促进了天体化学领域的迅速发展。高性能的射电望远镜包括欧洲太空总署的赫歇尔(Herschel)太空望远镜、智利的大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)望远镜、中国贵州500米口径球面射电望远镜(FAST)、上海天文台天马(65米口径)望远镜、新疆天文台未来的QTT(110米口径)全向可动射电望远镜、以及中国作为成员国之一的平方千米阵(SKA)巨型射电望远镜阵等。中国以及世界的天体化学领域正面临着一个蓬勃发展的“黄金时代”。天体化学模拟与物理化学實驗以及多波段射電觀測之間的交叉融合已經成爲必然趨勢。 

  此项研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金、中國科學院天文大科学研究中心高端用户专项经费、国家自然科学基金委等項目的资助。 

  文章鏈接:https://doi.org/10.1073/pnas.1810370116.

作者:蔣晨峰

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