Laboratory measurements of infrared absorption spectra of hydrogen-ordered ice; A Step to the exploration of ice XI in space

水素秩序氷の赤外吸収スペクトル; 宇宙に存在が予測される氷XIの探査に向けて

荒川 雅; 鍵 裕之; 深澤 裕

Arakawa, Masashi; Kagi, Hiroyuki; Fukazawa, Hiroshi

研究用原子炉から発する中性子を用いて氷中の水素の配置を研究し、通常の氷とは異なり、水素の配置が秩序化した氷(氷XIと呼ばれる)が宇宙に存在するとの仮説を提案している(Fukazawa et al. ApJ 2006)。この提案はサイエンス誌や新聞,テレビで報道されるなど一般にも関心が広がったが、仮説の実証方法ははっきりとしていなかった。今回、私たちは薄膜状の氷XIを作り、その赤外吸収のスペクトルを測定することに成功した。その結果、スペクトルに見える複数のピークが通常の氷より鋭くなることを発見した。天体望遠鏡や探査機によって、天王星から冥王星の距離に存在する氷の赤外スペクトルを測定すれば、氷XIが見つかると予測した。氷XIはプラスの水素が揃ったことで強誘電体の性質があり、電気的に強い力をもって結合する。もし赤外線の測定で宇宙に氷XIの存在が確認されたら、惑星の形成や物質の進化の過程に氷の電気的な力が大きく働いたといえる。現在、J-PARCの強い中性子ビームを用いて、秩序化の程度と赤外スペクトルの変化の関係を定量化しており、太陽系に一体どの程度の氷XIが存在するのか、その正確な量を観測と探査から解明していく。

Infrared absorption spectra of ice were obtained at 4, 60, 100, 140, 160, and 240 K to make spectroscopic observations of hydrogen ordering at low temperatures. A broad peak observed at around 850 cm (11.7-181 m) was derived from libration of water molecules. The peak width was notably narrower at temperatures less than 140 K. A decrease in the peak width occurring in accordance with the formation of ice with ordered arrangements of hydrogen atoms was suggested from incoherent inelastic neutron-scattering studies. These results are consistent with ordering of hydrogen atoms. Existence of hydrogen-ordered ice in space is the subject of continuing astronomical debate. Our results demonstrate that the ordered ice in space is detectable using infrared telescopes and planetary exploration.