氘化多环芳香烃与星际氘丰度之谜

Deuterium was synthesized in the Big Bang Nucleosynthesis and destroyed through “astration” in the stellar interiors through nuclear fusion. It is thus of implications in cosmology and Galactic chemical evolution. Observationally, the gas-phase D abundance is known to vary substantially in the Galaxy within a scale of several hundred pc. One possible explanation to this mystery is that D is depleted onto PAHs. We propose to study the deuteration of PAHs in various astrophysical environments: (1) we will use DFT to compute the intrinsic band strengths of the C-D vibrational bands of deuterated PAHs at 4.4, 11.7 and 15.4 microns, (2) we will calculate the infrared emission spectra of PAHs of a wide range of degrees of deuteration, and (3) we will compile and analyze the astronomical (ISO, AKARI and future JWST) spectra of various regions to explore the degree of deuteration of PAHs. This study will provide a library of infrared emission spectra of deuterated PAHs for future observational studies (e.g., JWST) and will gain insight into the interstellar D mystery and the galactic chemical evolution.

氘（D，即重氢）由宇宙大爆炸核合成而形成，通过恒星内部热核反应而消减，其研究对宇宙学和星系化学演化均具重要意义。紫外观测表明，在银河系内几百pc尺度上，气态D丰度变化显著，存在几倍的差异，往往远低于宇宙原初D丰度，这常被称为“星际氘丰度之谜”。星际氘丰度之谜的一种可能解释是，大量的氘不在气态，而是“锁进”多环芳香烃（PAH）分子，形成氘化PAH。为检验此模型，我们以氘化PAH为研究对象，（1）采用密度泛函理论，计算多种氘化PAH分子的C－D键在4.4、11.7、15.4微米的本征振动强度；（2）采用单光子随机加热理论，计算各种天体环境下不同尺寸、不同氘化度PAH分子的红外辐射光谱，为将来JWST观测建立红外辐射光谱库；（3）搜集并分析现有ISO，SOFIA，AKARI以及将来JWST光谱，估算各天体环境PAH分子的氘化度。本项目将有助于揭开银河系氘丰度之谜，增进对银河系化学演化的了解。

紫外观测表明，在银河系内几百pc尺度上，气态D丰度变化显著，存在几倍的差异，往往远低于宇宙原初D丰度，这常被称为“星际氘丰度之谜”。本项目通过研究星际氘化多环芳香烃分子的红外振动光谱以期解开星际环境中氘丰度的缺失之谜。.（1）从第一性原理出发，采用基于密度泛函理论和分子轨道理论（多体微扰方法）量子化学软件包“Gaussian”，我们对含氘PAH分子/离子的红外振动光谱进行了系统计算，包括（a）多种不同PAH分子/离子附着单个氘；（b）多种不同PAH分子/离子附着多个氘；（c）氘附着于不同PAH分子/离子脂肪性侧基，包括氘取代甲基、超氢化基团上的H。对以上几种情况，我们还同时还考虑了它们的各种同分异构体，总计约计算了上万个分子样本。基于这些计算，我们给出了4.4 micron芳香性和4.65 micron脂肪性C－D键拉伸振动的本征键强A4.4和A4.65，为了得到PAH分子的氘化度，我们还同时给出了3.3micron芳香性C－D键拉伸振动的本征键强A3.3，从而得到它们的比值A4.4 /A3.3和A4.65 /A3.3。（2）广泛搜集了同时有3.3 micron aromatic C-H、4.4 micron aromatic C-D、4.65 micron aliphatic C-D拉伸振动谱征的天体光谱，拟合这些光谱得到了这些谱征的流量（比）。（3）基于我们的量子化学计算结果和观测数据，利用我们构造的估算星际PAH分子氘化度的标准方法，我们得到了星际空间中不同环境下PAH分子/离子的氘化程度。.我们的研究结果表明，基于当前的观测数据，氘直接附着于PAH分子/离子的比例是非常低的（<2%），可能不足以解释星际氘丰度之谜。但是氘附着于PAH的脂肪性官能团时，在某些天体环境中，其氘化度可以达到20%，即氘的含量可能高达12ppm。这可能表明脂肪性的C-D官能团可能能解释星际氘丰度的缺失。值得注意的是，我们这里主要关注的是4.4和4.65 micron发射，它们主要来自于小的PAH分子。是否更多的D藏在了大分子中？还有待后续的进一步研究。