Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur UV-VIS-Spektroskopie großer astrophysikalisch relevanter Kohlenwasserstoff-Moleküle

Steglich, Mathias GND

Der Ursprung der diffusen interstellaren Banden (DIBs) und des UV-Bumps bei 217.5 nm beschäftigt Astrochemiker inzwischen seit mehr als einem halben Jahrhundert. Von deren Aufklärung verspricht man sich entscheidende Erkenntnisse über die Physik und Chemie der interstellaren Materie. Im Verlaufe dieser Arbeit wurden die elektronischen Absorptionseigenschaften großer, auf dem Element Kohlenstoff basierender Moleküle untersucht, für deren Vorhandensein im interstellaren Medium (ISM) deutliche Hinweise existieren. Unter Anwendung von Laborexperimenten, die die Bedingungen des ISM simulieren, in Kombination mit theoretischen Vorhersagen konnte u.a. gezeigt werden, dass polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) in neutraler sowie einfach ionisierter Form für den Bump in der Extinktionskurve bei 217.5 nm verantwortlich sein können, wenn sie im Mittel aus etwa 50 (oder mehr) C-Atomen bestehen. Diverse Indizien sprechen jedoch dagegen, dass diese Moleküle, wie vielfach vermutet wird, auch Träger der DIBs sind. Dass Diamantoide, aus mehreren Diamanteinheitszellen aufgebaute Moleküle, auf der Erde natürlich vorkommen, konnte erst vor kurzem nachgewiesen werden. Aufgrund der ebenfalls in dieser Arbeit untersuchten spektroskopischen Eigenschaften dieser Spezies dürfte sich ein Nachweis in astrophysikalischen Objekten anhand spektraler Charakteristika jedoch als schwierig erweisen. Davon ausgenommen könnten die kleinsten Moleküle dieser Art, wie Adamantan (eine Zelle) und Diamantan (zwei Zellen), sein. Anhand elektronischer Signaturen im UV konnte nachgewiesen werden, dass deren Ionisierung, ausgelöst duch Bestrahlung mit FUV-Photonen, wie sie im interstellaren Raum reichlich vorhanden sind, vom gleichzeitigen Verlust eines peripheren H-Atoms begleitet wird. Dadurch bilden sich stabile Ionen mit abgeschlossenen Molekülschalen, die ein permanentes elektrisches Dipolmoment aufweisen und demzufolge mittels radioastronomischer Beobachtungen aufgespürt werden könnten.

The most puzzling mystery of modern astrochemistry lies probably behind the absorption bands that are superimposed on the interstellar extinction curve in the visible and ultraviolet spectral range. The origins of the (in)famous diffuse interstellar bands (DIBs) and the UV bump at 217.5 nm bother scientists for more than half a century. The solution of this problem promises key insights into the physics and chemistry of interstellar matter. In the course of this work, the electronic absorption properties of various large carbon-based molecules, for whose existence in the interstellar medium (ISM) distinct hints exist, were investigated. Applying laboratory experiments, aimed at simulating the ISM conditions, in combination with theoretical predictions, based on modern quantum chemical calculations, it was shown that neutral and singly ionized polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) composed of roughly 50 (or more) C atoms can be responsible for the bump in the extinction curve at 217.5 nm. On the other hand, as suggested by various indications, none of these molecules is probably a carrier of a strong DIB. Quite recently, so-called diamondoids, molecules composed of several faced-fused diamond cages, were found on Earth in natural sources. However, a detection in astrophysical objects through astronomical observations in the UV-vis may be complicated by the particular spectral characteristics of these species as they were uncovered in the present work. Even though, the smallest molecules, like adamantane (1 cage) and diamantane (2 cages), may be found in other wavelength regions. Based on electronic signatures in the UV, it was demonstrated that the ionization caused by an irradiation with FUV photons (as they are amply present in interstellar space) is accompanied by the subsequent loss of a peripheral H atom. As a result, stable closed-shell ions are formed which possess a permanent electric dipole moment and, hence, may be detected via radio-based observations.

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Steglich, Mathias: Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur UV-VIS-Spektroskopie großer astrophysikalisch relevanter Kohlenwasserstoff-Moleküle. 2011.

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