Bølgekarakter af delokaliserede elektroner i defekte kulbrinter ved oprindelsen af ​​kosmisk infrarød emission

En ny undersøgelse i Fysiske anmeldelsesbreve afslører, at rækken af ​​infrarøde (IR) bånd toppe, samlet kendt som den kosmiske uidentificerede IR-emission, opstår som en konsekvens af den bølgelignende opførsel af delokaliserede elektroner i kulbrinteforbindelser. Et væsentligt aspekt af disse forbindelser er, at de gennemgår strukturelle transformationer udløst af stjernelysabsorption. Disse transformationer beskrevet som defekter påvirker bølgebevægelsen af ​​delokaliserede elektroner, det er, elektroner, der bevæger sig frit over flere carbon-carbon-bindinger i carbonhydrider af aromatisk type. Undersøgelsen tyder på, at de spektrale karakteristika af den kosmiske emission forklares integreret ved at beskrive bevægelsen af ​​delokaliserede elektroner omkring strukturelle defekter. Dette resultat giver en fysisk ramme, der er i stand til at tage højde for en hel række af observationsspektrale detaljer i dette mangeårige videnskabelige problem.

Et længe omdiskuteret kosmisk fænomen forbundet med stjernestøv er den universelle forekomst af infrarøde emissionsspidser, samlet kendt som UIE-bånd (Uidentified Infrared Emission). I årtier, denne kosmiske emission er blevet forklaret baseret på plane polycykliske aromatiske kulbrinte (PAH) molekyler, der flyder frit i rummet. Imidlertid, stigende beviser understøtter ideen om, at det stammer fra de samme amorfe kulbrinter fra stjernestøv, der er udtaget fra meteoritter. Alligevel er der mange spørgsmål tilbage. I særdeleshed, forskere spekulerer på, hvad er den gennemsnitlige kemiske struktur af stjernestøvforbindelser, der er ansvarlige for dette fænomen. Er det muligt at forklare de observerede spektrale karakteristika baseret på en sådan struktur?

I rummet, forbindelser menes at indeholde aromatisk kulstof i form af smeltede sekskantede ringe, som minder om hønseneheder. Disse aromatiske enheder opvarmes, når de absorberer stjernelys, og efterfølgende afkølet ved infrarød emission ved energier svarende til de frekvenser, hvormed de aromatiske kulstofbindinger vibrerer. I øvrigt, stjernelysabsorption kan også udløse strukturelle (fotokemiske) ændringer, hvor sekskantede ringe vedtager andre geometrier, der betragtes som defekte ringe.

Den nye undersøgelse baseret på tæthedsfunktionel teori viser, at delokaliserede elektronoscillationer forstærker vibrationerne af aromatiske kulstofbindinger. Denne effekt er i stand til at forklare båndfluxvariationerne af den kosmiske emission, og det opstår takket være elektronernes bølgenatur. Især det er endvidere fundet, at inklusion af defekter i aromatiske enheder påvirker den delokaliserede elektronbølgeoscillation på måder, der tuner emissionsfrekvenser ind i spektralområder, der ligner observerede båndmønstre. For lang tid, simple plane strukturer, såsom PAH'er, er blevet taget som oprindelsen af ​​emissionen, men denne tilskrivning giver ikke nogen forståelse for, hvordan disse båndmønstre opstår. Nu, fordi defekter er et naturligt resultat af stjernelysbehandlingen af ​​støvstof i rummet, dette resultat giver en sammenhængende fysisk ramme, der kan tage højde for en lang række spektrale mønsterkarakteristika for den kosmiske emission, når forbindelsernes kemiske struktur transformeres.

Denne undersøgelse giver grundlæggende indsigt i den kemiske struktur af de implicerede forbindelser. Den delokaliserede elektronbølgeoscillation (og dermed den kosmiske emission) afhænger stærkt af den strukturelle kantgeometri af aromatiske enheder. Dette sætter strenge begrænsninger på den kemiske struktur, da de observerede bånd ser ret ens ud uanset typen af ​​astrofysisk kilde. For at forklare denne lighed, undersøgelsen diskuterer, at aromatiske enheder, uanset deres kanter, bør eksistere under indespærring af et uordnet medium lavet af mættede kulbrintekæder (alifatiske), som kan ophæve den elektroniske bølgebevægelse ved kantgrænserne (på grund af bølgeinterferenser). Dette giver en kompatibel mekanisme, der kan forklare den observerede emissionsbåndregularitet. Som en konsekvens, dette indebærer, at de forbindelser, der er ansvarlige for den kosmiske emission, er amorfe strukturer bestående af et uordnet sammenvævet arrangement af aromater og alifatiske forbindelser i overensstemmelse med stjernestøv-fortolkningen.