ΧΗΜΙΚΟ ΤΑΞΙΔΙ ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ ΧΗΜΙΚΟ ΤΑΞΙΔΙ ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ Ημερίδα Χημείας 4 Μαΐου 2018 Μπιλάλη Έλενα Τσίβου Μάιρα Κομήτης Siding Spring (C/2013 A1) Αστερισμός του Κύκνου

ΑΦΕΤΗΡΙΑ Εισαγωγή Αστροχημεία: το διεπιστημονικό πεδίο που ασχολείται με τη μελέτη των χημικών διεργασιών στο διάστημα Ασχολείται με: ανίχνευση μορίων στο μεσοαστρικό διάστημα (ISM, interstellar medium) μέσω μοριακής φασματοσκοπίας μελέτη και κατανόηση των χημικών διεργασιών που ενδεχομένως οδηγούν στον σχηματισμό τους

Τρόποι ανίχνευσης χημικών στοιχείων και ενώσεων στο διάστημα Παρατήρηση Μοντέλα Εργαστήριο Rovers – Ανάλυση δειγμάτων Φασματοσκοπία Τηλεσκόπιο Hubble Τηλεσκόπιο με φασματόμετρο Εργαστήριο Αστροχημείας Σεληνιακό όχημα περιπλάνησης Απόλλων

Μόρια/Ιόντα που έχουν ανιχνευθεί ∼200 σε αέρια φάση Πρώτα: CH 1937 CN 1940 CH+ 1941 NH3 1968 Γαλαξίας Ηλιοτρόπιο/Μ63

Μόρια/Ιόντα που έχουν ανιχνευθεί στο ISM (Μάιος 2015)

ΣΤΑΘΜΟΣ 1 Φασματοσκοπία – Ιστορική Αναδρομή 1867: Huggins & Miller καταγραφή αστρικών φασμάτων → πρώτες πληροφορίες για χημική σύσταση 1922: Ηeger Merrill καταγραφή DIBs (diffuse interstellar bands) 1937: Swings & Rosenfeld → CH, CN (Astrophysical Journal) 1941: Douglas & Herzberg ανίχνευση CH+ βασισμένη σε πείραμα (Astrophysical Journal) William Huggins Mary Lea Heger Paul W. Merrill

DIBs (diffuse interstellar bands)

Κατηγορίες Φασματοσκοπίας Ηλεκτρονική (vis) Περιστροφική (ραδιοκύματα έως mid-IR) 1963: ΟΗ˙ μέσω αυτής έχουν ανιχνευθεί τα περισσότερα μόρια Δονητική (IR) παρεμποδίσεις λόγω ατμόσφαιρας Γης

Αστέρας IRC+10216 / CW Leonis πρώτη ανίχνευση CO (το 2ο σε αφθονία μόριο στο διάστημα)

Κβαντική και Υπολογιστική Χημεία εξέλιξη οργάνων → καλύτερη διάκριση γραμμών, όμως δεν μπορούσαν να τις αποδώσουν ενώσεις ασταθείς στη Γη → δυνατότητα μελέτης Thaddeus (Columbia & Harvard University) υπολογισμοί: αφορούν απομονωμένα μόρια δεν λαμβάνουν υπόψη θερμοκρασία  συνθήκες ISM Patrick Thaddeus

Οργανικά μόρια Δυσκολία ανίχνευσης πολύπλοκων οργανικών ενώσεων → λήψη πολλαπλών φασμάτων Απλούστερες ενώσεις που βρίσκονται σε αφθονία (π.χ. CH3OH, CH3OCH3, CH2CHCN, C2H5OH, HCOOCH3) παρουσιάζουν πολλές ηλεκτρονιακές μεταπτώσεις και οι κορυφές τους επικαλύπτουν τις ασθενέστερες κορυφές των πολυπλοκότερων 15% του C σε μορφή αλειφατικών ενώσεων Μεγάλη αφθονία σε πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (PAHs, Polycyclic aromatic hydro-carbons)

Πρεβιωτικά μόρια Σε μετεωρίτες έχουν ανιχνευθεί σχεδόν όλες οι οργανικές ενώσεις που σχετίζονται με τη ζωή. Έχουν βρεθεί D- και L- αμινοξέα (μόνο L- στην Γη) Σύνθεση: βιολογικά στη Γη ≠ αβιολογικά στο σύμπαν Θεωρίες για προέλευση ζωής από το διάστημα Βιολογικά = στον οργανισμό

Atacama Large Millimiter Array (ALMA), ραδιοτηλεσκόπια στη Χιλή

Παραδείγματα (1) Αστεροειδείς Κομήτες Δορυφόροι Σκούρο κόκκινο, καφέ ή μαύρο χρώμα → Σύνθετες οργανικές ενώσεις (π.χ. θολίνες) Κομήτες Αποστολή Rosetta Δορυφόροι Ατμόσφαιρα και επιφάνεια Τιτάνα Μικροί πλανήτες/TNOs (transneptunian objects) Πλούτωνας → καστανοκόκκινο χρώμα → σύνθετα οργανικά μόρια στην επιφάνεια Διαπλανητικά σωματίδια σκόνης (Interplanetary Dust Particles, IDP) Πάνω από 50% του βάρους τους C Θολίνες: οργανικές ενώσεις που προκύπτουν από απλές ενώσεις C (συχνά σε συνδυασμό με N2) όταν ακτινοβολούνται με υπεριώδη ακτινοβολία ή κοσμικές ακτίνες

Παραδείγματα (2) Φάσμα FT-IR υλικών του κομήτη 81P/Wild 2 που επιστράφηκαν από την αποστολή Stardust Φάσμα απορρόφησης IR των σωματιδίων σκόνης L2008F7 & L2008G9 και του μετεωρίτη Murchison που δείχνει τις δονήσεις τάσεως των αλεφατικών δεσμών CH2 και CH3

ΣΤΑΘΜΟΣ 2 Μελέτη των διεργασιών Μεγάλη Έκρηξη → H, He, Li αστέρες: πυρηνική σύντηξη → βαρύτερα στοιχεία σχηματισμός απλών μορίων στο ISM ? ενώσεις υψηλής πολυπλοκότητας

Μοριακή πολυπλοκότητα και Μηχανισμοί (πολυπλοκότητα: αριθμός ατόμων, αριθμός και ποικιλία λειτουργικών ομάδων, ύπαρξη στερεογονικών κέντρων) χαμηλή πυκνότητα, χαμηλές θερμοκρασίες → αργές αντιδράσεις καταλυτικός ρόλος σωματιδίων σκόνης Προσεγγίσεις: Bottom-up Top-down θεωρητικά μοντέλα εργαστηριακά πειράματα δυσκολία αναπαραγωγής συνθηκών πιθανοί μηχανισμοί

ΣΤΑΘΜΟΣ 3 Αναλύσεις Όργανα Curiosity rover CheMin (σύσταση εδάφους) κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ φθορισμόμετρο Sample Analysis at Mars (ενώσεις C, ποσοστά ισοτόπων) GC MS φασματόμετρο με ρυθμιζόμενο λέιζερ ChemCam εκπομπή παλμών λέιζερ και ταυτοποίηση των διεγερμένων ατόμων τηλεσκόπιο Alpha Particle X-ray Spectrometer (αφθονία στοιχείων) το δείγμα ακτινοβολείται με α σωματίδια και ακτίνες Χ από τα σκεδαζόμενα σωματίδια προκύπτουν πληροφορίες για σύσταση Curiosity rover Αποστολή MSL (Mars Science Laboratory), NASA

Εργαστηριακή Αστροχημεία IDPs (διαπλανητικά σωματί-δια σκόνης): συλλέγονται από ειδικά αεροσκάφη για ανάλυση σε εργα-στήρια Σύγκριση διαστρικών φασμάτων που έχουν μη αναγνωρισμένες κορυ-φές με εργαστηριακά φάσματα Εργαστηριακό IR φάσμα υδρογονωμένου άμορφου άνθρακα a-C:H (πάνω) σε σύγκριση με αστρονομικό φάσμα του πλανητικού νεφελώματος IRAS 21282+5050 (κάτω)

Ανοιχτά ερωτήματα και προκλήσεις: ΤΕΡΜΑΤΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ Ανοιχτά ερωτήματα και προκλήσεις: Πώς σχηματίζονται τα πολύπλοκα μόρια στο ISM; Μπορούν να αντέξουν την κατάρρευση πρωτοαστρικών νεφών που οδηγεί σε σχηματισμό αστρικών συστημάτων; Ποια η σχέση μεταξύ των μορίων που υπάρχουν σε κομήτες και αυτών στο ISM; Είναι το ISM ο αντιδραστήρας μέσα στον οποίο σχηματίζονται κάποια από τα σημαντικά για τη ζωή μόρια;

Ευχαριστίες (αλφαβητικά) Κοσμάς Γαζέας Λέκτορας Τομέα Αστροφυσικής, Αστρονομίας και Μηχανικής Τμήμα Φυσικής ΕΚΠΑ Αθανάσιος Φιλιππόπουλος Επίκουρος Καθηγητής Ανόργανης Χημείας Τμήμα Χημείας

Πηγές Κείμενα: Εικόνες: Michael de Becker, Astrochemistry: The issue of molecular complexity in astrophysical environments, Bull. Soc. Roy. Sci. Liege 82 (2013) 33-94  Mars Science Laboratory/Curiosity, NASA (nasa.gov) R. C. Fortenberry, Quantum Astrochemical Spectroscopy, Int. J. of Quantum Chem. 117 (2017) 81-91 Sun Kwok, Complex organics in space from Solar System to distant galaxies, The Astronomy and Astrophysics Review 24 (2016) T. J. Millar, Astrochemistry, Plasma Sources Sci. Technol. 24 (2015) Εικόνες: ALMA Observatory (almaobservatory.org) chem.hawaii.com gem.uva.es Hubble Space Telescope (spacetelescope.org) NASA (nasa.gov) nature.com pinterest.com royalsocietypublishing.org skyandtelescope.com

Ευχαριστούμε για την προσοχή σας!