Morelia, Mich., 23/6/09

Astroquímica: química en el espacio

Vladimir Escalante RamírezCentro de Radioastronomía y Astrofísica

UNAM, Campus Morelia

6a Escuela de VeranoJunio 26, 2009

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Materia entre las estrellas

● Entre las estrellas de la Galaxia hay gas y polvo—la materia interestelar.

● Se observa por la absorción de la luz estelar y la emisión de luz propia.

● En algunos lugares se observan acumulaciones de materia interestelar en forma de “nebulosas” y “nubes”.

● La densidad del gas varía entre 1 y 106 átomos por cm3 y su temperatura va de 10 a 10,000 oK.

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Ejemplos de nebulosasNGC3603, Brandner et al., 1999

M17

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Ejemplos de nubes(Barnard 68, FORS Team, 8.2 m VLT Antu, ESO)

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Formando estrellas, planetas, y ... vida?

Eagle nebula, NASA, ESA, STScI, J. Hester and P. Scowen, 1995

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Formando estrellas

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Formando planetas

(NASA/JPL-Caltech)

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Moléculas en discos protoplanetarios

Lahuis et al., 2006

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Radiotelescopio de 25m, Onsala, Suecia

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Composición del polvo

● El polvo interestelar está formado de granos de menos de 0.1 micras de carbón, sílice (SiO

2), silicatos (SiO

4), hierro.

● Hay unos cuantos granos de polvo por cada 109 átomos en el gas.

Olivina (Mg,Fe)2SiO

4

Olivina Mg2SiO

4 del cometa Wild 2

(Stardust, NASA)

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Moléculas en la materia interestelar● Hasta mayo de 2006 se habían detectado 134 moléculas

en el medio interestelar y circumestelar.

● H2 es la más abundante seguida del CO

● La más pesada es HC11

N

● Algunas moléculas interesantes:

– H2O

– CH3COOH (ácido acético, alias vinagre)

– HCONH2 y CH

3CONH

2 (formamida y acetamida, enlaces

peptídicos)

– ¿¿H2NCH

2COOH (glicina, un aminoácido)??

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¿Cómo se forman las moléculas?

● C+O CO no funciona en el medio interestelar (bajas densidades y temperaturas) porque los átomos se repelen.

● Podemos comenzar por formar H2 en granos de polvo:

H + H + grano de polvo H2+grano de polvo

seguido de ionización de átomos de carbónC + luz estelar C+ + e seguida deC+ + H

2 CH

2+

CH2

+ + e CH + HCH + O CO + H

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¿Cómo se destruyen las moléculas?

● CO + luz estelar C + O

● H2 + luz estelar H + H

● Gas muy caliente.

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Un modelo químico “sencillo”

● Tenemos que considerar miles de reacciones y cientos de moléculas para reproducir las abundancias observadas.

Pickles, J.B. y Williams, D.A., 1981, Ap&SS,80,337

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Cinética de reacciones

Número de colisiones / s cm3 proporcional a n(X)n(Y)

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Modelo científico

● Es un sistéma lógicamente coherente de hipótesis sobre un conjunto de fenómenos

● Usan un lenguaje simbólico (generalmente matemáticas)

● Abstraen la realidad (como en el arte)

● Crean contextos comunes para argumentar una teoría

● Facilitan hacer predicciones verificables

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Un modelo atómico

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Hidrocarbones (y otros)

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Polimerización

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Construyendo moléculas

Anillo de benzeno: C6H

6

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PAH’s: hidrocarbones policíclicos aromáticos

Criseno

Coroneno

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Identificando moléculas

● Descubrimiento de los PAH's (hidrocarbonos policíclicos aromáticos) en el Rectángulo Rojo. Leger & Puget, 1984, A&A, 137, L5

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El Rectángulo Rojo

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Cinética de una reacción

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Cinética de una reacción

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Tasa de reacción

k(T) = ∫ Av f(v) dvSección efectiva: A = R2

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Polarización de moléculas

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Un poco de física cuántica

Potencial efectivoBowman, 2005

Probabilidad de reacciónBalakrishnan, N. & Dalgarno, A., 2001

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Calculando la abundancia de moléculas

● Si conocemos la tasa de cada reacción k(T): X + Y Z k(T) n(X) n(Y) da el número de moléculas Z formadas por segundo por cm3, donde n(X) y n(Y) son las densidades de reactantes X y Y.

Para cada molécula tenemos una ecuación:

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Caso especial: región fotodisociada

● Una estrella cercana a una nube molecular.

● Moléculas son disociadas por la luz estelar.

● Pero la luz estelar también calienta y ioniza el gas:C + luz estelar C+ + e

● El gas caliente aumenta la velocidad de reacción.

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S140(Rodríguez et al., 2005)

CO H2CO

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Una región fotodisociada

Gómez et al., 1998

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Una región fotodisociada más rayos X

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Metilamina en el espacio

Se han observado agua, CO2 y metilamina en el MIS

CH3NH2

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Astroquímica en el laboratorio(Lee, et al., 2009, Ap.J., 697, 428)

● Película de hielo de agua + CO2 + metilaminaCH

3NH

2)

● CH3NH

2 + luz estelar CH

2NH

2 + H*

● CO2 + H* HOCO

● CH2NH

2 + HOCO NH

2CH

2COOH (glicina)

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¿Aminoácidos en el espacio?

Aminoácido: NH2CHRCOOH Lisina

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Hacia la vida: proteínas

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¿Dónde se forma el polvo?

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El ciclo de la materia interestelar

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Moléculas en el Universo temprano

● Las estrellas evolucionadas (gigantes rojas) producen el polvo.

● El polvo acelera la producción de moléculas por catálisis y evaporación.

● La producción del H2 en el gas es demasiado lenta.

● Entonces tenemos un problema para entender cómo se forman las moléculas en un Universo sin polvo.

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PAH's hace 10 mil millones de añosYan et al., 2005, Ap.J., 628, 604