天体物理相关表面极低温下氧原子的高效扩散机制

在星际尘埃颗粒的低温环境下，表面化学通过弱束缚（物理吸附）于表面的氢原子的扩散机制进行，这一点已得到充分证实。然而直到最近，人们尚不清楚比氢更重的原子是否能在星际颗粒上足够快速地扩散以与其他吸积物种发生反应。此外，模型仍要求颗粒上发生简单的还原反应以及氧化反应，以解释各种分子的丰度。本文研究了在 6.5 - 25 K 温度范围内，氧原子在多种天体物理相关表面（三种不同形貌的水冰、硅酸盐和石墨）上的扩散与反应活性。利用实验值推导出的扩散定律表明，氧原子在低至 6.5 K 的温度下通过量子力学隧穿效应进行扩散。基于模拟结果计算了每种表面的扩散速率，并给出了一个随表面温度变化的经验定律。相对扩散速率为 $k_{\text{H}_2\text{Oice}} > k_{\text{sil}} > k_{\text{graph}} \gg k_{\text{expected}}$。文中讨论了在天体物理相关时间尺度上高效氧原子扩散的影响。我们的研究结果表明，氧原子扫描任何可用反应伙伴（例如，若有可用的另一个 H 原子，或如 O 或 OH 等表面自由基）的速率快于吸积速率。此外，随着稠密云成熟，$\text{H}_2$ 变得比 H 丰富得多且 O/H 比率增长，颗粒上氧原子的反应活性使得 O 与 H 一起成为主要的反应伙伴之一。