星际介质中富勒烯的自上而下形成

[摘要] 富勒烯最近在各种星周和星际环境中被探测到，引发了关于其形成途径的问题。有人提出它们可以通过大型多环芳烃(PAHs)的光化学处理形成。遵循我们此前关于NGC 7023反射星云中PAH演化的工作，我们利用光化学建模评估了PAH C$_{66}$H$_{20}$（即环椭圆烯）在紫外光子辐照下能否导致C$_{60}$的形成。化学途径涉及完全脱氢、折叠成一个柔性的封闭笼，以及通过损失C$_2$单元使笼缩小，直至达到对称的C$_{60}$分子。在距照亮恒星10角秒处，并采用实际分子参数，模型预测100%的C$_{66}$H$_{20}$在约10$^5$年内转化为C$_{60}$，这一时间尺度与星云年龄相当。缩小似乎是整个过程的动力学限制步骤。因此，大于C$_{66}$H$_{20}$的PAH不太可能显著贡献于C$_{60}$的形成，而含有60至66个碳原子的PAH应以较短的时间尺度贡献于C$_{60}$的形成，含有少于60个碳原子的PAH将被破坏。假设PAH前体具有经典尺寸分布，我们的模型预测C$_{60}$的绝对丰度可达元素碳的数倍10$^{-4}$，即低于典型星际PAH丰度的百分之一，这与观测研究一致。根据我们的模型，一旦形成，C$_{60}$可以比其他富勒烯存活更长时间，因为C$_{60}$分子在高内能下具有显著的稳定性。因此，一个自然的结果是C$_{60}$在高辐照环境中比其他富勒烯更为丰富。