c-SiC3分子在AGB星周包层中的机理研究取得进展

AGB星是演化到晚期的恒星。它们以星风的形式不断向其星周抛射气体分子和尘埃，形成一个致密而温暖的星周包层，是宇宙中著名的“分子工厂”，尤其是距离地球最近的富碳AGB星IRC+10216。迄今为止，太空中已发现约200种星际分子，其中一半以上都可以在IRC+10216这一颗AGB星的星周探测到。近年来，AGB星周分子的相关研究引起了越来越多的科学关注。近日，实验室杨涛研究员与美国加州大学伯克利分校、美国夏威夷大学、中科院新疆天文台的研究人员合作，共同攻关了AGB星周包层中特殊环状分子c-SiC3的形成机制，修正了c-SiC3、SiC4等分子的天体观测丰度与理论不符的历史争议,并发表在国际学术期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of USA 116, 14471-14478 (2019)。

实验中，研究人员制备了Si(3P)、Si(1D)和SiH(X2Π)三种原子和分子束，通过激光诱导荧光光谱标定量子态以及精确控制气相分子动力学的方法，研究了Si(1D)与CH2CCH2或CH3CCH的反应能与势垒、中间态分子结构等重要信息及各种可能的反应，最终发现H2解离的通道为最主要的反应通道。量化计算方面，通过ωB97X-V 密度泛函与cc-pVTZ基组对反应物、中间态、和最终产物的结构进行了几何优化和频率计算，而对过渡态的搜索，则使用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再通过频率计算确认最终的过渡态。通过高精度的量化计算，甄别出了H2C=C=C=Si等主要分子的产物通道，以及在Lyman-α光子作用下生成c-SiC3(X1A1)等分子的光解通道。天体模拟方面，研究人员将实验和量化计算所得到的反应结果成功应用于AGB星周化学反应网络模型，细致研究了c-SiC3分子、SiC4分子、SiC3H2分子、CH3CCH分子及其同分异构体在IRC+10216星周的空间分布、形成和解离机制并给出了它们的丰度和柱密度等信息，为未来可能的天文观测提供重要依据。

近年来，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，极大的促进了深空探索领域的迅速发展。高性能的射电望远镜包括中国贵州的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、欧洲太空总署的Herschel望远镜、智利的ALMA望远镜等等。中国以及世界的天文观测领域正面临着一个蓬勃发展的“黄金时代”，物理实验模拟与量化计算结合多波段射电观测之间的交叉融合将成为重要趋势。

图1. 质心坐标下Si(1D)与CH3CCH分子的单分子碰撞截面示意图