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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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Morelia, Mich., 23/6/09
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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Morelia, Mich., 23/6/09
PAH's hace 10 mil millones de añosYan et al., 2005, Ap.J., 628, 604