Infrarött ljus från Orionnebulosan fångat av den infraröda arraykameran på Spitzer Space Telescope. Dammet som värms upp av stjärnljus avger huvudsakligen våglängder på 8 och 5,8 mikron (rött och orange). Kredit:NASA/JPL-Caltech.
En ny studie i Fysiska granskningsbrev avslöjar att serien av infraröda (IR) bandtoppar, gemensamt känd som den kosmiska oidentifierade IR-emissionen, uppstår som en konsekvens av det vågliknande beteendet hos delokaliserade elektroner i kolväteföreningar. En väsentlig aspekt av dessa föreningar är att de genomgår strukturella transformationer som utlöses av stjärnljusabsorption. Dessa transformationer som beskrivs som defekter påverkar vågrörelsen hos delokaliserade elektroner, det är, elektroner som rör sig fritt över flera kol-kolbindningar i kolväten av aromatisk typ. Studien föreslår att de spektrala egenskaperna hos den kosmiska emissionen förklaras integrerat genom att beskriva rörelsen hos delokaliserade elektroner runt strukturella defekter. Detta resultat erbjuder en fysisk ram som kan redogöra för ett komplett utbud av observationsspektrala detaljer i denna långvariga vetenskapliga fråga.
Ett länge omdiskuterat kosmiskt fenomen förknippat med stjärndamm är den universella förekomsten av infraröda emissionstoppar, gemensamt kända som UIE-band (Uidentified Infrared Emission). I årtionden, denna kosmiska emission har förklarats baserat på plana polycykliska aromatiska kolväten (PAH) molekyler som flyter fritt i rymden. Dock, ökande bevis stöder tanken att det har sitt ursprung i samma amorfa kolväten från stjärndamm som tagits från meteoriter. Ändå återstår många frågor. Särskilt, forskare undrar vad är den genomsnittliga kemiska strukturen hos stjärndammsföreningar som är ansvariga för detta fenomen. Är det möjligt att förklara de observerade spektrala egenskaperna baserat på en sådan struktur?
I rymden, föreningar tros innehålla aromatiskt kol i form av smälta hexagonala ringar, som liknar hönsnätsenheter. Dessa aromatiska enheter värms upp när de absorberar stjärnljus, och kyls därefter genom infraröd emission vid energier som motsvarar de frekvenser vid vilka de aromatiska kolbindningarna vibrerar. Dessutom, Stjärnljusabsorption kan också utlösa strukturella (fotokemiska) förändringar där hexagonala ringar antar andra geometrier som anses vara defekta ringar.
Strukturschema över oordnade kolväteföreningar med defekta aromater som är ansvariga för den kosmiska oidentifierade infraröda emissionen. Kredit:Physical Review Letters
Den nya studien baserad på densitetsfunktionella teorin visar att delokaliserade elektronoscillationer förstärker vibrationerna hos aromatiska kolbindningar. Denna effekt kan förklara bandflödesvariationerna för den kosmiska emissionen, och det uppstår tack vare elektronernas vågnatur. I synnerhet, det har vidare funnits att inkluderingen av defekter i aromatiska enheter påverkar den delokaliserade elektronvågsoscillationen på sätt som ställer in emissionsfrekvenser till spektralområden som liknar observerade bandmönster. Under lång tid, enkla plana strukturer, såsom PAH, har tagits som ursprunget till emissionen men denna tillskrivning ger ingen förståelse för hur dessa bandmönster uppstår. Nu, eftersom defekter är ett naturligt resultat av stjärnljusbehandlingen av damm i rymden, detta resultat erbjuder ett sammanhängande fysikaliskt ramverk som kan redogöra för ett komplett utbud av spektrala mönsteregenskaper hos den kosmiska emissionen när föreningarnas kemiska struktur förändras.
Denna studie ger grundläggande insikt i den kemiska strukturen hos de inblandade föreningarna. Den delokaliserade elektronvågoscillationen (och därmed den kosmiska emissionen) beror starkt på den strukturella kantgeometrin hos aromatiska enheter. Detta sätter stränga begränsningar på den kemiska strukturen med tanke på att de observerade banden ser ganska lika ut oavsett typ av astrofysisk källa. För att förklara denna likhet, studien diskuterar att aromatiska enheter, oavsett deras kanter, bör existera under inneslutning av ett oordnat medium tillverkat av mättade kolvätekedjor (alifatiska), som kan eliminera den elektroniska vågrörelsen vid kantgränserna (på grund av våginterferenser). Detta tillhandahåller en kompatibel mekanism som kan förklara den observerade emissionsbandets regelbundenhet. Som en konsekvens, detta antyder att de föreningar som ansvarar för den kosmiska emissionen är amorfa strukturer som består av ett oordnat sammanvävt arrangemang av aromater och alifater i överensstämmelse med tolkningen av stjärnstoft.
