北海道大学低温科学研究所的渡部直树教授等人组成的研究团队，与理化学研究所仁科加速器科学研究中心的中井阳一专任研究员合作，利用新开发的方法成功测定了在极低温冰表面OH自由基开始移动的温度。
图1 存在于漂浮在宇宙空间的冰微粒子表面的OH自由基示意图。（供图：北海道大学）
OH自由基是由水分子（H2O）失去一个氢原子（H）形成的物质，具有非常容易产生化学反应的性质。漂浮在宇宙空间的极低温冰微粒子表面存在着大量的OH自由基，这些OH自由基被认为对包括有机分子在内的各种分子的产生起着很大的作用。在恒星诞生很久以前的超低温宇宙（-237℃）中，分子如何诞生，以及进化到何种复杂程度等，都取决于漂浮在宇宙中的超低温冰微粒子（0.0001mm左右）表面发生的特殊化学反应。特别是存在于冰表面的高反应性OH自由基的反应起着重要的作用。但要想在实验室再现宇宙冰微粒子，调查冰表面的OH自由基的行为，需要以往没有的高灵敏度、非破坏性的检测方法。
图2 低温科学研究所研制并用于本研究的实验装置。在用于再现宇宙环境的超高真空槽中心部制作了极低温的冰。后面的蓝色装置为色素激光发生器，用于检测OH自由基。（供图：北海道大学）
研究团队在低温科学研究所独立开发的真空实验装置内再现了漂浮在宇宙中的极低温冰微粒子，通过照射紫外光破坏一部分水分子（H2O→OH+H）在冰表面生成了OH自由基。用激光从冰表面释放该OH自由基，再使用其他激光对释放出的OH自由基进行分析检测，由此来观察冰表面存在的OH自由基。当达到OH自由基开始在冰表面移动的温度时，OH之间会发生化学反应（OH+OH→H2O2），所以OH自由基的数量会减少。为了研究该温度与OH自由基数的关系，研究团队测定了冰表面存在的OH自由基运动所需的能量。
通过实验确定OH自由基开始运动所需的能量后，研究团队根据能量计算了各种温度条件下OH自由基在在冰表面运动的速度。冰微粒子上的化学进化需要以10万年的时间尺度来考虑，研究团队因此估算了10万年间可以在冰星际尘埃（直径0.0001mm左右）表面活动的温度。
结果发现，在极低温宇宙环境中存在的冰微粒子表面，超过约-237℃时OH自由基的运动会变活跃，并促进分子进化。随着星际分子云中星体的不断生成，其环境温度会逐渐升高。在-263℃左右的极低温下，蓄积在冰表面的OH自由基随着温度上升开始运动，发生活跃的分子进化。通过定好的温度进行化学进化模拟，可以更准确地理解OH自由基所涉及的分子进化过程。
渡部教授表示“本次开发使用了2种激光，开发从冰表面释放出OH并进行分析的方法花费了很长时间。今后，我们希望使用这种方法，调查与生命起源相关的复杂有机分子原材料CH3和HCO等自由基在冰表面的行为”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Astrophysical Journal Letters
论文：Direct Determination of the Activation Energy for Diffusion of OH Radicals on Water Ice
DOI：10.3847/2041-8213/ac9d30
