Misteriose molecole per misteriose bande interstellari diffuse

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Credit: D. Kokkin, ASU

Nel vasto ed apparentemente vuoto spazio interstellare, si aggirano in realtà molecole solitarie: carbonio, idrogeno, silicio ed altri atomi nati dalla fusione nucleare delle stelle e spinti lontano dai forti venti generati dalle esplosioni di supernovae.

Molti astronomi sospettano che, queste molecole siano responsabili di un fenomeno osservato dalla Terra, noto come "diffuse interstellar bands" (DIB - bande interstellari diffuse), prova spettrografica che qualcosa là fuori, nell'Universo, sta assorbendo alcune lunghezze d'onda della luce proveniente dalle stelle prima che raggiunga la Terra.

Ma al momento, non si conosce l'esatta composizione chimica di queste molecole e nessuno può dimostrare che siano effettivamente responsabili delle diffuse interstellar bands.

Tuttavia, questa settimana, in un studio apparso sulla rivista The Journal of Chemical Physics, un gruppo di scienziati guidati dai ricercatori dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics di Cambridge, Massachusetts, presenta una nuova ipotesi.

Secondo il team, queste molecole potrebbero essere idrocarburi rivesti di silicio come SiC3H, SiC4H e SiC5H.

"Ci sono state un certo numero di spiegazioni nel corso degli anni", ha detto Michael McCarthy, fisico senior presso il Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, che ha condotto lo studio.

Optical spectra of the silicon-terminated carbon chain radicals SiC _n H (n = 3,4,5) [abstract]

The gas-phase optical spectra of three silicon-terminated carbon chain radicals, SiC _n H (n = 3 − 5), formed in a jet-cooled discharge of silane and acetylene, have been investigated by resonant two-color two-photon ionization and laser-induced fluorescence/dispersed fluorescence. Analysis of the spectra was facilitated by calculations performed using equation-of-motion coupled cluster methods. For SiC₃H and SiC₅H, the observed transitions are well-described as excitations from a²Π ground state to a²Σ state, in which vibronic coupling, likely involving a higher-lying Π state with a very large predicted f-value (close to unity), is persistent. The lowest²Σ states of both species are characterized by a rare silicon triple bond, which was identified previously [T. C. Smith, H. Y. Li, D. J. Clouthier, C. T. Kingston, and A. J. Merer, J. Chem. Phys.112, 3662 (2000)] in the lowest²Σ state of SiCH. Although a strong Π − Π transition is predicted for SiC₄H, the observed spectrum near 505 nm more likely corresponds to excitation to a relatively dark Σ state which is vibronically coupled to a nearby Π state. In contrast to the chains with an odd number of carbon atoms, which exhibit relatively sharp spectral features and lifetimes in the 10–100 ns range, SiC₄H shows intrinsically broadened spectral features consistent with a ∼100 fs lifetime, and a subsequent long-lived decay (>50 μs) which we ascribe to mixing with a nearby quartet state arising from the same electronic configuration. The spin-orbit coupling constants for both SiC₃H and SiC₅H radicals were determined to be approximately 64 cm⁻¹, similar to that of SiCH (69.8 cm⁻¹), suggesting that the unpaired electron in these species is localized on the silicon atom. Motivated by the new optical work, the rotational spectrum of linear SiC₃H was detected by cavity Fourier-transform microwave spectroscopy in the 13–34 GHz range. Each rotational transition from the ²Π_3/2 ground state exhibits well-resolved Λ-doubling and hyperfine structure; the derived rotational constant of B = 2.605 GHz is in excellent agreement with our calculations.

Gli astronomi sanno da tempo che esistono molecole interstellari contenenti atomi di carbonio che, per loro natura, sono in grado di assorbire la luce proveniente dalle stelle e da altri corpi luminosi. Contemporaneamente, le DIB, sospettate nel 1922 da Mary Lea Heger, studente laureato al Lick Observatory di Berkeley e, successivamente confermate nel 1938 dall'astronomo Paul Merrill, sono rimaste un puzzle fino ai giorni nostri.
In molti, quindi, hanno supposto che un certo tipo di molecole interstellari sia la fonte delle righe di assorbimento viste negli spettrogrammi registrati da Terra.

Queste linee scure, che sembrano non mostrare nulla, in realtà mostrano molto e ci dicono quali sono i colori mancanti, ossia le lunghezze d'onda dei fotoni che sono state assorbite mentre viaggiavano attraverso lo spazio, fino a noi. Oltre a questo, è possibile dedurre anche le esatte energie che ci sono volute per eccitare le strutture di quelle molecole che hanno assorbito.

Con queste informazioni basilari, gli scienziati sulla Terra dovrebbero poter ricostruire la situazione in laboratorio ma, nonostante gli sforzi nel corso degli anni, l'identità delle molecole responsabili delle diffuse interstellar bands è rimasta un mistero. Ora, McCarthy e colleghi puntano il dito su un insolito gruppo di molecole radicali, catene di carbonio ricoperte di silicio.

Il team ha creato in laboratorio quelle che dovrebbero essere molecole gemelle di quelle interstellari, SiC3H, SiC4H e SiC5H, utilizzando un getto raffreddato di silano-acetilene e ne ha poi analizzato gli spettri. Per spiegare le oltre 400 linee di assorbimento spettrali conosciute per le DIB, il team ha eseguito calcoli teorici per catene più lunghe della stessa famiglia.
McCarthy, però, sottolinea che per una prova definitiva andrebbero ricostruite le esatte transizioni che queste molecole subiscono, un lavoro che andrebbe fatto di pari passo con le osservazioni astronomiche.

"Il mezzo interstellare è un ambiente affascinante", ha detto McCarthy. "Molte delle cose più abbondanti non sono ancora sconosciute sulla Terra".