地球外有機物の起源解明を目指した
蛋白質骨格シアネートイオンの実験室生成と分光測定
Laboratory Production of Protein-Skeleton Cyanate Ion and its Spectroscopic
Measurement to Clarify Origin of Extraterrestrial Organic Materials（日本天文学会推薦）

代表研究者 東京理科大学
協同研究者

荒木光典 Tokyo University of Science
Rose-Hulman Institute of Technology

Mitsunori ARAKI
Fumie SUNAHORI

We focused on the cyanogen halide radical cation, another candidate of the interstellar molecule, because of theunexpected difficulty of laboratory production of the isocyanate cation NCO+ that was a sample in a planning phase. A
rotationally resolved gas-phase absorption spectrum of the electronic transition of the cyanogen iodide radical cation ICN+
was observed by cavity ring-down spectroscopy for the first time. This cation was produced in a supersonic planar
discharge jet through a mixture of ICN in helium. Using the molecular-spectrum analysis and simulation program
PGOPHER, the rotational constants and the band origin wavelength were accurately determined from the spectrum. The
molecular structure variation β, which determines the rotational profile of the absorption band in space, was derived to be− 2.8%. The β values for FCN+, ClCN+, BrCN+, and ICN+ were also evaluated theoretically by using Gaussian 09W. The
rotational profile for ClCN+, one of the important candidates for unidentified optical absorption bands, was simulated,aiding us in identifying this cation as in interstellar space.
研究目的

こで、星周雲の有機物が分子雲に運搬されている可地球外生命の発見を目指すにあたり、地球の生命能性が新説として急浮上した。その検証のためには、と地球外の生命の間の共通性は大きな関心事である。

星周雲と Diffuse Cloud で共通の有機物を発見すれば彗星により原始地球に有機物がもたらされたといわよい。星周雲に始まり Diffuse Cloud を経て彗星かられる。そこで、もしその起源が分子雲進化の後期に地球に届けられる有機物の起源が解明される。

相当する“分子雲”なら、有機物の歴史は例えば星本研究では、宇宙におけるシアン化物と含酸素有形成の 106–107 年前と短い。有機物の化学進化は分子機物の豊富さから、蛋白質を構成する NCO 構造（シ雲の個別現象となり、宇宙全体で“生命の多様性がアネート）に着目した。シアネートイオン NCO+は高い”ことになる。逆に、起源が分子雲進化の起点

Diffuse Cloud の有機物のひとつとして予想される。

である“晩期型星の星周雲”なら、有機物の歴史はそこで NCO+の実験室分光測定を行い、Diffuse Cloud

例えば 107–109 年前と長い。有機物の化学進化はどのに見られる未同定の可視吸収線の中からこの NCO+分子雲でも星周雲の有機物を共通原料とした現象とを見つけ出すことを、計画段階では目標としていた。

なり、“生命の普遍性が高い”ことになる。従来の説

しかし、NCO+は実験室内における生成が難しく、では、星周雲の有機物は星間空間で分解され、原始我々の分光装置では検出できなかった。

地球には届かないとされてきた。ところが、近年、

そこで、O を除く、N と C の元素に注目した。す星周雲と Diffuse Cloud でフラーレン（C60、C60+）がると、未同定の可視吸収線の候補としてハロゲン化共通有機物として発見された。ここで Diffuse Cloud

シアンが浮上する。特に Cl は星間空間に最も多く存は、星周雲と分子雲の間の進化段階の雲である。そ在しているハロゲン類の元素であるため、ClCN+が

Fig. 1. The electronic spectrum of the Ã 2Σ+–X̃ 2Π3/2 transition of ICN+. (a) Uncorrected cavity ring-down
spectrum observed in a pulsed supersonic slit jet expansion of ICN. (b) Simulated spectrum of the sub-productiodine molecules, I2, using the reported molecular constants and FC factors [21,22]. (c) Subtraction of (b) from(a) giving a spectrum free from iodine molecules. The 11 lines marked by P and R come from an unknown
contaminated molecule. (d) Simulated spectrum of ICN+ using the molecular parameters determined in thepresent experiment.
有力候補となる。この分子の電子遷移の波長はすで研究経過・考察に正確にわかっている[1]。ところが、電子遷移によ可視光領域の吸収スペクトルを高分解能かつ高感り光を吸収する際の、分子構造の変化量がわかって度に測定できる装置として、キャビティーリングダいない。ゆえに、星間空間における吸収線の回転プウン分光装置を用いた。

ロファイル（スペクトル形状）が予測できない。電分子の生成は、ホロカソード方式のスペースシミ子遷移の波長に加えてこの回転プロファイルが分かュレーターにより行った。このシミュレーターはこれば、未同定の可視吸収線とこの分子の遷移を比較

れまでは気体しか試料として用いることができなかし、同定できる可能性がある。この回転プロファイった。そこで、今回の測定のために、固体であるヨルの推定を本研究の新たな目的とした。

ウ化シアン ICN を導入できるよう、固体用の試料導そのため、光を吸収する際に同様の分子構造変化+入管を装備した。その管から気化した ICN とヘリウを起こす ICN に着目した。この分子のスペクトルは、ムと混合して、シミュレーターの放電部に導入した。

これまでに研究代表者が、スイスのバーゼル大学に放電部には、長さ 10 cm、内径 11 mm 円筒を陰極とおいて超音速ジェット中にてキャビティーリングダして設置した。この陰極中でホロカソード放電を行ウン分光装置により測定していた（Fig. 1a.）
。しかし、った。

不純物のシグナルが大量に混合し、解析できない状況にあった。

この条件下で、測定すると、Fig. 1a に見られる鋭い吸収線のうち半数程度が再現された。それらはヨ+本研究では、ICN の分子構造変化量を実験から決+定し、それを ClCN に応用することにした。すると、+ウ素分子 I2 の吸収線と一致し、不純物がヨウ素分子であることが明らかになった。Fig. 1a の波数範囲のClCN の星間空間における吸収線の回転プロファイ

ヨウ素分子のスペクトルを電子スペクトルのシミュルが正確に推定できるようになる。そして、この分レーションソフト PGOPHER を用いて再現した（Fig.

子による未同定の可視吸収線の同定が可能になる。

1b）。そのシミュレーションを用いて、Fig. 1a の混合スペクトルからヨウ素分子の寄与を差し引いた。その結果、ヨウ素分子を含まない ICN+のスペクトルが現れた（Fig. 1c）。

そのスペクトルは 7 つの枝線（P1、Q1、P21、R1、Q21、R21）に帰属することができた（Fig. 1d）。これらの遷移をもとに、回転定数、電子遷移波長などの分子定数を精密に決定した。その結果、この分子は分子構造変化量 β が− 2.8%であることが判明した。回転プロファイルは温度に依存するが、このβ を用いることによって、任意の温度において ICN+の回転プロファイルを予測できるようになった。
ICN+の β が明らかになったため、量子化学計算を用いて、一連のハロゲン化シアン FCN+ 、ClCN+ 、
BrCN+、ICN+の β の計算を行った。この時、実測で求めた ICN+の β を計算で正しく再現できるように、計算方法の調整を行った。その結果、ICN+以外の未測定の分子種 FCN+、ClCN+、BrCN+の β についても、適切な値と得ることができた。

Fig. 2. The estimated profiles of the Ã 2Σ+–X̃ 2Π3/2

計算で求められた β を用いて、Diffuse Cloud にtransition of ClCN+ at three different ambient

ClCN+が存在した時の回転プルファイルを推定する

temperatures. Red dotted lines; reported peak

ことができた。Diffuse Cloud で予想される 25 K、14.5

positions of the two isotopologues in the emission

K、2.73 K の 3 種の温度の場合を Fig. 2 に示した。

spectra [1]. Black solid lines; band-origin positions

これらの結果、今後の天文観測で ClCN+の電子遷

assumed for reproducing that the simulated peak

移が出現する波長帯が探査され、この分子の吸収がmaxima meet with red dotted lines. The abundance

検出されれば、回転プロファイルの一致により、正ratio; 35Cl:37Cl = 3:1, and the molecular structure

確に同定することが可能になった。今後の天文観測

variation; β = 1.6. Due to the experimental error, anが期待される。

uncertainty of ±0.3 Å needs to be considered.

（本研究は下記誌上発表の 2 に該当する。
）
キャビティーリングダウン分光ユーザーズミーティ

参考文献

ング 2021・2022 の開催

1. J. Fulara et al., J. Phys. Chem. 89, 4213 (1985)

http://molecules-in.space/umcs/
2021 年 12 月 17 日と 2022 年 12 月 16 日にそれぞ

研究の発表

れ、第 3 回と第 4 回のキャビティーリングダウン分口頭発表

光ユーザーズミーティング（2022 年度よりキャビテ

1.

“Laboratory Spectroscopy of A2Σ+–X2Π3/2 Electronic

ィー分光ユーザーズミーティングに改称）
を zoom にTransition of ICN+ to Estimate Profiles of Interstellarて開催した。招待講演は、各年度それぞれ、中国科

Absorption Lines by Halogen Cyanide Cations,”

学技術大学の Shui-Ming Hu 教授と Louisville 大学のTakumi Ito, Mitsunori Araki, Shoma Hoshino, Koichi

Jinjun Liu 教授からいただいた。講演数はそれぞれ 5

Tsukiyama, International Symposium on Molecular件と 4 件で、参加者はそれぞれ 56 人と 52 人であっSpectroscopy, Champaign-Urbana, Illinois (US),た。2021 年からの新しい試みとして、前半を英語の(2022, 6, 20-24)セッション、後半を日本語のセッションとし、国際

2.

“Gas-Phase CH-Overtone Band Spectra of Methyl

研究集会として開催した。両年度とも活発な議論とAcetate and Ethyl Acetate via Incoherent Broad-Band

情報交換が行われた。

Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy,” Takeru
Sato, Mitsunori Araki, Takahiro Oyama, ShomaHoshino,Koichi

Tsukiyama,InternationalSymposium on Molecular Spectroscopy, Champaign-10. 「星形成領域 Sagittarius B2(N) における前生物

Urbana, Illinois (US), (2022. 6. 20-24)
3.

“Developmentofcavity

enhanced

的分子 CH3NCO の塵表面生成の調査」、荒木光absorption

典、出岡恭一、大野有紀、小山貴裕、高野秀路、

spectrometer and detection of CH overtones of methyl

久世信彦、築山光一、日本地球惑星科学連合 2021

acetete and ethyl acetete,” Mitsunori Araki, Takeru

年大会、web 発表、(2021.6.3-6)

Sato, Takahiro Oyama, Shoma Hoshino and Koichi

4.

Tsukiyama, The Users Meeting of Cavity Ringdown

ポスター発表Spectroscopy, (2021.11.17-19)

1.

“Testing Dust-Surface Formation Model of Prebiotic

CH3NCO のミリ波帯回転線の解析」、荒木光典，

Molecule CH3NCO in Star-Forming Cores Sagittarius

出岡 恭一，大野有紀，小山貴裕，高野秀路，久B2 (M) and (N),” M. Araki, Y. Ohno, K. Izuoka, T.

世信彦，築山光一、第 15 回分子科学討論会、北Oyama, S. Takano, N. Kuze, Y. Sumiyoshi, K.

海道大学、(2021.9.18-21)

Tsukiyama, Workshop on Interstellar Matter 2021,(2021.11.17-19)
5.

“Development of Cavity Enhanced Absorption

誌上発表
1.

cavity-enhanced absorption spectroscopy,” Mitsunori

Bands of Interstellar Molecules,” I. Fukuda, T. Sato,Araki, Takeru Sato, Takahiro Oyama, Shoma Hoshino,

M. Araki, T. Oyama, S. Hoshino, K. Tsukiyama,

Koichi Tsukiyama, Chemical Physics Letters, 796,

Workshop on Interstellar Matter 2021, (2021. 11. 1719)“Detection of CH3NCO in the Galactic Center Star-139568 (2022)
2.

cation ICN+,” Mitsunori Araki, Takumi Ito, Shoma

Astronomical Observations,” Yuki Ohno, Mitsunori

Hoshino, Koichi Tsukiyama, Journal of MolecularAraki, Yoshiaki Minami, Takahiro Oyama, Shuro
Koichi Tsukiyama, International Symposium on

Spectroscopy, 388, 111675-111675 (2022)
3.

Molecule CH3NCO in Star-Forming Core Sagittarius

4.

hydrogencyanide“Spectroscopic identification and characterization of
the aluminum methylene (AlCH2) free radical,” F. X.
Sunahori, T. C. Smith, D. J. Clouthier, J. Chem. Phys.,

Takano, T. Oyama, N. Kuze, and K. Tsukiyama,

157, 044301 (2022).

International Symposium on Molecular Spectroscopy,
Champaign-Urbana, Illinois (US), (2021.6.21-25)

他の業績“Reevaluation of the C4H Abundance Based on the1.

「星間分子の探査と深淵なるその実態」、日本光

Revised Dipole Moment,” T. Oyama, Y. Sumiyoshi,

学会機関誌「光学」、光学ハイライト、荒木光典、

M. Araki, S. Takano, N. Kuze, K. Tsukiyama,

25, 36-40, (2023)

International Symposium on Molecular Spectroscopy,
9.

ofCurrent Applied Physics, 36, 83-87 (2022)

B2(N1) by ALMA,” K. Izuoka, M. Araki, Y. Ohno, S.

8.

measurements

spectroscopy,” Mitsunori Araki, Ken Matsuyama,(US), (2021.6.21-25)“Testing Dust-Surface Formation Model of Prebiotic“Rapidconcentration in combustion gas via terahertz

Molecular Spectroscopy, Champaign-Urbana, Illinois
7.

“Rotationally resolved gas-phase spectrum of the A–
X electronic transition for the cyanogen halide radicalForming Region Sagittarius B2(M) by RadioTakano, Nobuhiko Kuze, Yoshihiro Sumiyoshi, and“Gas-phase CH-Overtone band spectra of methylacetate and ethyl acetate via incoherent broad-band

Spectrometer Aiming to Measure Optical Absorption6.

「いて座星形成領域における前生物的星間分子2.

著書：日本分光学会 監修、紫外可視・蛍光分光

Champaign-Urbana, Illinois (US), (2021.6.21-25)

法、講談社、築山光一、星野翔麻、担当：第５章「ICN+分子実験室分光測定によるハロゲン化シ

可視・紫外域におけるレーザー分光計測法 5.1

アンカチオンの星間吸収線プロファイルの推

キャビティーリングダウン分光法： 微量成分検定」、荒木光典、伊藤拓海、星野翔麻、築山光一、出への応用 （10 頁）、2021 年 8 月 27 日、

日本地球惑星科学連合 2022 年大会、(2022.5.29)

ISBN: 978-4-06-523805-9