冷たく,厳しい事実 #今年読んだ一番ショックな論文

というわけで,選考外ですがカレンダーが空いていたのでこの記事を書いてみます.

 

宇宙物理学者が長らく用いていた仮定が間違いであったことが示されたこの論文です.

 

Statistical ortho-to-para ratio of water desorbed from ice at 10 kelvin | Science

 

ショッキング過ぎたので,英語で記事にもなっています.

phys.org

 

宇宙はみなさんご存知の通り低温なので,星間物質や彗星などにある水は氷として存在する.氷の核スピン異性体のオルソ・パラ比は,その氷の生成時の温度を反映していると長らく信じられ,観測した天体や星間物質の化学的歴史を反映しているとされてきた.これを元に現在まで宇宙観測結果の解釈・議論が進められてきた.しかしながらこれは間違いだよ,というのを指摘したのが本論文である.

 

 

1.背景

 

水のオルソ・パラ比(OPR)は常温ならば3を示すが,彗星の尾などのOPRは2-3を示していたことから,宇宙屋さんはこれが氷形成時のスピン温度の手がかりと考えていた.典型的な値2.5はスピン温度が30 Kに相当し,これが46億年前の彗星形成時の温度を示すと考えられてきた.その他の天体からもOPRが3以下のものが見つかっていた.いろいろな天体に関してこういった観測がなされてきたが,このOPRとスピン温度の関係を立証する実験はなかった.

 

2.手法・結果

 

この論文の著者らは実験室において10 Kで生成した氷から光脱離した水分子のOPRを測定した.REMPI(Resonance-Enhanced Multi-Photon Ionization)という手法を用いて得られたスペクトルをスピン温度200 K( OPR = 3 )とスピン温度10 K( OPR = 0.3 )のそれぞれの条件において計算したスペクトルと比較したところ,前者のOPR=3のものと一致した.すなわち,10 Kで作った氷からでもOPRは3であり,生成時の温度を反映していない,という結果が出たということだ.

 

氷から脱離する際に分子が一回離れてまたくっつくなどすると分子は元のOPRを忘れてしまうが,そういうことはない事が著者の脱離メカニズムの研究からわかっている."kick out"と呼ばれるもので光が一旦氷のHだけを勢い良く乖離させ,そのHが他のH2O分子を蹴り出す,という仕組みだ.

 

そもそも氷の状態では水素結合によって分子は回転を自由に行うことができない.スピン温度の議論なども回転エネルギーなどの取り扱いをガス状態と同じではいけない.こういった仮定の危うさも論文では指摘されている.

 

3. まとめ

 

OPRから氷生成時の温度を求める,という手法自体が正しくないということがこの実験から示唆された.これは他の実験の再解釈を迫るとともに,数々の天体から3より低いOPRが観測されている理由について再考を求めるものである.謎が謎を呼んでいる状態だ.氷ではなくガス状態の水分子の寄与などが指摘されている.個人的にはこの分野の今後の動向がとても楽しみである.