Colisiones en el laboratorio y a bajo cero

Por primera vez, se logran medidas muy precisas de la sección eficaz de colisión entre moléculas de agua y átomos de helio a muy bajas energías, afinando las predicciones cuánticas y proporcionando datos experimentales obtenidos en laboratorio.

José Mª Fernández, uno de los autores de este trabajo, alineando un láser de Argón ionizado utilizado como fuente de excitación de un espectrómetro Raman de alta sensibilidad dedicado al estudio de moléculas en fase gaseosa. Laboratorio de Fluidodinámica Molecular. Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC). Créditos: Uly Martín (El País).
José Mª Fernández, uno de los autores de este trabajo, alineando un láser de Argón ionizado utilizado como fuente de excitación de un espectrómetro Raman de alta sensibilidad dedicado al estudio de moléculas en fase gaseosa. Laboratorio de Fluidodinámica Molecular. Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC). Créditos: Uly Martín (El País).

En ASTROMOL, uno de los campos de estudio es el ciclo de la vida del vapor de agua en el universo. En concreto, se estudia el vapor de agua en nubes moleculares, el lugar en el que nacen las estrellas, y luego se hace un seguimiento del papel del agua en la evolución de las estrellas, su vida y su muerte y disgregación en el medio interestelar.

En concreto, en las nubes moleculares hallamos el universo más frío, un universo con unas temperaturas de entre 20 y 120 grados kelvin (lo que equivaldría a temperaturas entre -253 °C y -153 °C). A esas temperaturas tan bajas, las moléculas solo pueden permitirse “rotar” y, en este proceso, los investigadores aprovechan para estudiarlas a medida que emiten radiación en el rango submilimétrico [1]. Por tanto, las “transiciones rotacionales” (en el argot cuántico) son los cambios que se dan a más baja energía.

Por otro lado, para que las moléculas puedan excitarse y rotar, las moléculas colisionan con los átomos y moléculas más abundantes en el medio. En pocas palabras, las secciones eficaces de colisión son las áreas efectivas de una molécula durante un proceso de colisión o choque. Y en este trabajo se han determinado, con mucha precisión y de forma experimental, las secciones eficaces de colisión de moléculas de vapor de agua (H2O) con átomos de helio (He) a las temperaturas relevantes del medio interestelar.

El helio es el segundo elemento más abundante del universo. Por su parte, el agua, además de ser clave en el desarrollo de la vida, puede ser, en determinadas regiones del universo, la tercera molécula más abundante después del hidrógeno molecular (H2) y el monóxido de carbono (CO), ya sea en fase gaseosa, o congelada en forma de hielo sobre los granos de polvo.

Por primera vez en este rango de temperaturas, se han estudiado en laboratorio estas colisiones a bajas energías y se han determinado esas secciones eficaces de colisión con precisión. Hasta ahora esto se solía estimar o calcular con modelos computacionales basados en la teoría cuántica, pero ahora se ha logrado demostrar con sutiles experimentos gracias a este trabajo de laboratorio.

El equipo

La caracterización de estas colisiones molécula-átomo se ha conseguido utilizando un chorro supersónico en condiciones de vacío (simulando las bajas densidades del medio interestelar). Utilizando técnicas láser y espectroscopía Raman, se ha logrado determinar una magnitud física crítica para entender cómo se excitan las moléculas de agua en condiciones interestelares y así poder estimar con mayor precisión la abundancia de agua en estos entornos del universo frío.

La precisión que se alcanzaba en cálculos computacionales rondaba típicamente el 20-30%. La precisión alcanzada ahora es del 10%. Las secciones eficaces de colisión determinadas en este trabajo de forma experimental podrán usarse para calibrar mejor los cálculos mecánico-cuánticos que se elaboren a partir de ahora. Además, se trata del punto de partida para poder determinar experimentalmente las secciones eficaces de colisión de distintas moléculas en el futuro.

Notas:

[1] Cuando aumenta la temperatura, además de “rotar” (en el sentido de la física clásica), las moléculas pueden “vibrar”, emitiendo o absorbiendo radiación en el infrarrojo. Por último, se pueden estudiar las transiciones electrónicas que se dan cuando los electrones de una molécula cambian de estado dando lugar a radiación en los rangos visible y ultravioleta.

Más información:

Este trabajo ha sido elaborado por G. Tejeda (Laboratorio de Fluidodinámica Molecular del Instituto de Estructura de la Materia, IEM-CSIC); E. Carmona-Novillo (Instituto de Física Fundamental, IFF-CSIC); E. Moreno (Laboratorio de Fluidodinámica Molecular del IEM-CSIC); J. M. Fernández (Laboratorio de Fluidodinámica Molecular del IEM-CSIC); M. I. Hernández (IFF-CSIC); y S. Montero (Laboratorio de Fluidodinámica Molecular del IEM-CSIC).

Artículo científico: Laboratory study of rate coefficients for H2O:He inelastic collisions between 20 and 120 K

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