In the 1970s, an apparatus for synthesizing an analogue of interstellar organic dust was developed by Dr. Akira Sakata and collaborators at the University of Electro-Communications. The apparatus employs a 2.45 GHz microwave source to generate plasma from methane gas, which is subsequently quenched and condensed to produce Quenched Carbonaceous Composite (QCC; Sakata et al. 1983, 1984). This synthesis method qualitatively simulates the condensation of organic dust around red giant stars, and QCC has since been widely used as a carbonaceous analogue of interstellar dust.

Since 2007, the apparatus has been transferred to the University of Tokyo, where experimental studies have continued. Later, we have successfully synthesized Quenched Nitrogen-included Carbonaceous Composite (QNCC; Endo et al. 2021) by quenching and condensing plasma generated from nitrogen gas and hydrocarbon dust. QNCC remarkably well reproduces the infrared spectral characteristics of unidentified infrared (UIR) band observed in classical novae. Furthermore, it exhibits infrared spectroscopic characteristics similar to those of the insoluble organic matter (IOM) found in carbonaceous meteorites. Detailed analyses have shown that QNCC (1) is a composite carbonaceous material containing both aliphatic and aromatic components, dominated by amorphous sp³-bonded carbon similar to diamond-like carbon (DLC); (2) consists primarily of hydrogen-terminated sp³ carbon structures with smaller contributions from alkyl functional groups; and (3) contains nitrogen in the form of pyridinic and pyrrolic species, as well as amine structures bonded to sp³ carbon (Senoo et al. 2026, Geochemical Journal, in press).

The origin of complex organic matter in the Universe has traditionally been discussed within the framework of bottom-up chemical evolution, in which all carbon is initially assumed to exist as ionized carbon atoms and progressively forms increasingly complex molecules through gas-phase and grain-surface reactions during star formation. However, recent observations of nearby molecular clouds have revealed abundances of large organic molecules that are difficult to reconcile with conventional bottom-up chemical network models alone. We therefore propose that an additional top-down evolutionary pathway should be considered, in which organic dust grains ejected by evolved stars survive their journey through the interstellar medium, are incorporated into primordial molecular clouds, and subsequently fragment to supply complex organic molecules. To investigate whether this top-down mechanism can serve as an efficient source of complex organic matter in star- and planet-forming environments, we continue experimental studies of QNCC and its physical and chemical properties.

More than fifty years have passed since the original synthesis apparatus was constructed. To further advance experimental studies of interstellar organic dust and expand their application to astrobiology, the development of a new synthesis system became essential. We have therefore designed and constructed a new apparatus that preserves the original principle of synthesizing laboratory dust by quenching plasma generated with a 2.45 GHz microwave source while incorporating significantly improved instrumentation to ensure higher reproducibility of experimental conditions and enhanced analytical capability for determining the elemental composition of the plasma. In this presentation, we will introduce the design concept and key features of the new QCC/QNCC synthesis apparatus and present preliminary results of plasma compositional analyses obtained using a plasma process monitor.


1970年代、電気通信大学の坂田朗先生らによって、星間有機物塵の模擬物質を合成するための装置が製作された。この装置は、2.45 GHzのマイクロ波を用いてメタンガスからプラズマを生成し、それを急冷・凝縮することで Quenched Carbonaceous Composite（QCC; Sakata et al. 1983, 1984）が合成するものである。QCCの合成手法は、赤色巨星周囲における有機物塵の凝縮過程を定性的に模擬するものであり、以来、QCCは炭素質の模擬星間ダストとして用いられるようになった。2007年以降、同装置を東京大学に移し実験研究を継続し、窒その結果、素ガスと炭化水素ダストから生成したプラズマを急冷・凝縮することにより、窒素を含む Quenched Nitrogen-included Carbonaceous Composite（QNCC; Endo et al. 2021）を合成するに至った。この物質は、新星に見られる未同定赤外バンドのスペクトルを極めて高い精度で再現する。同時にこの物質は炭素質隕石物質中に含まれる不溶性有機物(IOM)とも類似した赤外分光特性を示す。詳細な分析から、QNCCは、(1) 脂肪族成分と芳香族成分の両方を含む複合炭素物質であり、その主成分はダイヤモンドライクカーボン（DLC）に類似したアモルファスなsp³結合炭素である。(2) 構造の大部分は水素終端したsp³炭素から構成され、一部にアルキル官能基を含む。(3) 窒素はピリジン型窒素およびピロール型窒素に加え、sp³炭素に結合したアミン構造として存在している。という結果が得られた(Senoo et al. 2026, Geochemical J., in press)。

宇宙の有機物の起源を考える際、従来の星形成の化学反応ネットワークシミュレーション研究では、開始点として炭素は全て炭素原子イオンで存在すると仮定した上で、「ボトムアップ型」での有機物分子の合成が常識的に受け入れられてきた。しかしながら、近年の近傍分子雲の観測から大型有機物分子の存在量を「ボトムアップ型」の有機物進化で説明できないという問題点が顕在化している。我々は、過去に終焉期を迎えた天体によって放出された塵が始原的な分子雲に届き、その
塵から断片化を通じて、有機物分子が供給される「トップダウン型」の有機物進化が見逃されている点に着目し「トップダウン型メカニズム」が星惑星形成環境における複雑な有機物の起源として効果的であるかを探るため、QNCCに対するさらなる研究を続けている。

初代の合成装置が製作されてから50年以上が経過し、星間有機物塵の物理的性質に関する理解をさらに深めるとともに、アストロバイオロジー研究への展開を目指して実験研究を発展させるためには、新たな合成装置の製作が必要となった。そこで我々は、2.45 GHzマイクロ波によって生成したプラズマを急冷して実験室ダストを合成するという基本原理を継承しつつ、実験条件の再現性を高めるための計測系の高度化や、プラズマ中の元素組成を詳細に解析するための機能を新たに備えた合成装置を設計・製作した。本講演では、新たに開発したQCCおよびQNCC合成装置の設計思想と特徴について紹介するとともに、プラズマプロセスモニターを用いて実施したプラズマ組成解析の初期結果について述べる。