Interstellar molecules

Japanese: 星間分子 - せいかんぶんし

Molecules that exist in interstellar space. The density of interstellar space is very low (about one hydrogen atom per cubic centimeter), but molecules tend to form in particularly dense regions called molecular clouds (more than about 1,000 hydrogen molecules per cubic centimeter), so most interstellar molecules can be thought of as existing in molecular clouds.

As of June 2014, 173 types of interstellar molecules have been confirmed, most of which have been discovered through radio astronomy observations. The radio waves emitted by molecules are emitted as they rotate, and each molecule has a specific wavelength. The wavelengths are concentrated in the range of about 20 centimeters to about 1 millimeter. Interstellar molecules are made up of a very small number of atoms, including hydrogen, carbon, nitrogen, oxygen, silicon, sulfur, sodium, and phosphorus, and many of them are made up of only the first four, which can be said to reflect the amount of each atom in the universe.

The discovery of interstellar molecules through radio waves began with the hydroxyl group (OH) in 1963, followed by water and ammonia, and the 1970s saw the discovery of a succession of molecules. In the 1980s, the National Astronomical Observatory's 45-meter radio telescope was completed, leading to the discovery of 17 new molecules in Japan, and a second wave of discoveries was sparked by high-sensitivity observations using large radio telescopes around the world. Discoveries continue to be made every year to this day. Furthermore, since the second half of the 1990s, observations by infrared satellites have led to the discovery of many molecules that do not emit radio waves.

Interstellar molecules are characterized by the long existence of radicals (e.g., C ₂ H, ethynyl radical) and molecular ions (e.g., HCO ⁺ , formyl ion) that are short-lived in terrestrial laboratories. Research since the 1980s has revealed that these "short-lived molecules" play an important role in the formation of interstellar molecules, which are primarily ion-molecule reactions. Despite their short lifespan on Earth, they can exist in space because, as mentioned above, interstellar molecular clouds are in an extremely sparse environment. Meanwhile, the discovery of these interstellar molecules has also recognized the importance of short-lived molecules in the field of molecular chemistry, greatly stimulating research into them.

As mentioned above, interstellar molecules exist in molecular clouds, which are particularly dense in interstellar space. Molecular clouds are also the birthplaces of stars, so research into interstellar molecules is linked to the mysteries of the formation of stars and planets, as well as research into the birth of the solar system. In particular, comets are thought to retain the same molecular composition as when the solar system was born, and research into them has been actively conducted since the close encounter of Comet Halley in 1987. Searches for amino acids in space are also being conducted as a clue to exploring the mystery of the origin of life in the universe, but even the simplest amino acid, glycine (NH ₂ CH ₂ COOH), has yet to be discovered.

Research on interstellar molecules is expected to make further advances thanks to the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an interferometric radio telescope that was constructed in the Atacama Desert in northern Chile in South America by a joint project between Japan, the United States, and Europe and began full-scale operation in 2013.

[Masatoshi Oishi]

"The Story of Interstellar Molecules" by Deguchi Osamu (1985, Chijin Shokan)" ▽ "Cosmic Radio Astronomy" by Akabane Kenji, Kaifu Norio, and Tahara Hiroto (1988, Kyoritsu Shuppan)" ▽ "The Shape of the Universe Revealed by Modern Astronomy" by Sakurai Kunitomo (1989, Kyoritsu Shuppan)" ▽ "What is Molecular Science? An Overview" edited by Iguchi Hiroo (1990, Japan Society for the Promotion of Science)" ▽ "Molecules: Their Shape and Behavior" by Hirota Eiji and Endo Yasuki (1990, Dainippon Tosho)" ▽ "Invitation to Modern Chemistry" edited by Hirota Hiroshi and Kajimoto Koa (2001, Asakura Shoten)" ▽ "Advanced Chemistry Series 4: Theoretical and Computational Chemistry, Clusters, Space Chemistry" edited by the Chemical Society of Japan (2003, Maruzen)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

星間空間に存在する分子をいう。星間空間は密度が非常に低い（1立方センチメートル当り水素原子約1個程度）が、分子は、そのなかで分子雲とよばれるとくに密度の高い領域（1立方センチメートル当り水素分子約1000個以上）で形成されやすいので、ほとんどの星間分子は、分子雲中に存在すると考えてよい。

　2014年6月時点で確認されている星間分子は173種類あり、それらのほとんどは電波天文観測を通して発見されている。分子が放射する電波は、分子が回転するときに出されるもので、分子によってその波長が決まっている。波長は約20センチメートルから約1ミリメートルという範囲に集中している。星間分子の構成原子の種類はたいへん少なく、水素、炭素、窒素、酸素、ケイ素、硫黄(いおう)、ナトリウム、リンなどであり、とくに前四者だけからできているものが多く、宇宙における各原子の量を反映しているといえる。

　電波による星間分子の発見は1963年のヒドロキシ基（OH）に始まり、水、アンモニアと続き、1970年代には次々と分子が発見される時期を迎えた。1980年代に完成した国立天文台の45メートル電波望遠鏡の活躍により日本でも17個の新分子が発見されるなど、世界の大型電波望遠鏡等を用いた高感度観測により第二の発見ラッシュが起きた。現在でも毎年発見が続いている。また1990年代の後半からは赤外線衛星の観測により、電波を放出しない分子が多く発見された。

　星間分子の特色としては、地上の実験室では短寿命なラジカル（例、C₂H、エチニルラジカル）や、分子イオン（例、HCO⁺、ホルミルイオン）が長時間存在することがあげられる。1980年代以降の研究により、これらの「短寿命分子」は、イオン分子反応を中心とする星間分子の形成反応のなかで重要な役割を果たしていることがわかってきた。地球上で短寿命であるのにもかかわらず宇宙では存在できるのは、先に述べたように星間分子雲がきわめて希薄な環境であることが理由である。一方、これらの星間分子の発見を通じて分子化学の分野においても短寿命分子の重要性が認識され、その研究が大きく促された。

　前述したように、星間分子が存在するのは星間空間のなかでもとくに密度の高い分子雲の中である。分子雲はまた星の誕生の場でもあるので、星間分子の研究は、星や惑星の生成の謎(なぞ)、また太陽系誕生の研究に結び付く。とくに彗星(すいせい)は太陽系が誕生した当時の分子組成をそのまま維持していると考えられており、1987年のハリー彗星（ハレー彗星）の接近以降その研究が活発に行われている。宇宙における生命発生の謎を探る手掛りとして、宇宙のアミノ酸の探査も行われているが、もっとも簡単なアミノ酸であるグリシン（NH₂CH₂COOH）でさえも、いまだに発見されていない。

　星間分子の研究は、日本、アメリカ、ヨーロッパが共同で南アメリカ、チリ北部のアタカマ砂漠に建設し、2013年に本格運用が開始された干渉計方式の電波望遠鏡「アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計」Atacama Large Millimeter/submillimeter Array（ALMA(アルマ)）により、ますます進歩するものと期待される。

［大石雅寿］

『出口修至著『星間分子物語』（1985・地人書館）』▽『赤羽賢司・海部宣男・田原博人著『宇宙電波天文学』（1988・共立出版）』▽『桜井邦朋著『現代天文学が明かす宇宙の姿』（1989・共立出版）』▽『井口洋夫編『分子科学とは――そのあらまし』（1990・日本学術振興会）』▽『広田栄治・遠藤泰樹著『分子――その形とふるまい』（1990・大日本図書）』▽『広田襄・梶本興亜編『現代化学への招待』（2001・朝倉書店）』▽『日本化学会編『先端化学シリーズ4　理論・計算化学　クラスター　スペースケミストリー』（2003・丸善）』