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Sergey Yurchenko: “La astrofísica de los exoplanetas es un campo muy joven y es muy emocionante formar parte de él”

ECLA2016 "Gas on the rocks" (European Conference on Laboratory Astrophysics)
ECLA2016 “Gas on the rocks” (European Conference on Laboratory Astrophysics)

Sergei Yurchenko ENGLISH VERSION BELOW
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La actividad investigadora de Sergey Yurchenko (@TroveMaster) abarca una gama de temas, dentro de la física molecular, relacionados tanto con la teoría subyacente como con la aplicación de cálculos de los espectros moleculares; también trabaja en el desarrollo de métodos eficientes para la generación de listas precisas y completas de líneas moleculares, aplicables a una amplia gama de temperaturas y ambientes, incluyendo atmósferas de exoplanetas calientes y estrellas frías. Estudia las propiedades fundamentales de las moléculas poliatómicas con métodos de espectroscopia infrarroja de vibración-rotación de alta resolución; desarrolla cálculos de estructura electrónica y experimentos teóricos que describen la manipulación y el control de moléculas poliatómicas por sofisticados campos electromagnéticos. Trabaja en el Departamento de Física y Astrofísica de la University College London (Reino Unido).

¿Cuál es el papel de la astrofísica de laboratorio en la Astrofísica?

Físicamente, no podemos ir y tomar una muestra de cualquier lugar del universo. La principal fuente de información sobre el universo es lo que vemos (a través de la luz visible) o lo que no podemos ver, pero podemos detectar (por ejemplo, luz infrarroja o ultravioleta).

Estas señales electromagnéticas contienen mucho más de lo que nuestro ojo puede revelar, por ejemplo, sobre lo que compone las atmósferas de otros planetas, qué especies hay en los medios interestelares o qué procesos tienen lugar en las regiones donde se forman las estrellas o planetas.

A pesar de que estos ambientes son muy diferentes a los de nuestro planeta, también están compuestos de átomos y moléculas. Lo que sí podemos hacer (y lo que realmente estamos haciendo) es ir al laboratorio a aprender tanto como sea posible acerca de cómo se comportan los diferentes átomos y moléculas en diferentes condiciones y cómo está codificada esta información en la luz que emiten o absorben.

El código es un espectro que nos cuenta historias de estrellas caídas, planetas recién nacidos o galaxias que chocan, incluso desde un pasado muy lejano que llega hasta los tiempos en los que nació el universo.

¿Cuál es su campo de investigación actual? Continue reading Sergey Yurchenko: “La astrofísica de los exoplanetas es un campo muy joven y es muy emocionante formar parte de él”

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Louis d’Hendecourt: “En astroquímica, la astrofísica de laboratorio es el juez supremo”

ECLA2016 "Gas on the rocks" (European Conference on Laboratory Astrophysics)
ECLA2016 “Gas on the rocks” (European Conference on Laboratory Astrophysics)

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Louis d'HendecourtEntrevista con Louis Le Sergeant d’Hendecourt, del equipo de Astroquímica y Orígenes del Instituto de Astrofísica Espacial (CNRS-UPS) en Francia. Este equipo utiliza técnicas experimentales, incluyendo espectroscopía, simulaciones de materia extraterrestre y el uso de varios métodos analíticos, para comprender la composición física y química y la evolución de los materiales de estado sólido en nuestra galaxia, así como durante la formación de nuestro Sistema Solar y otros posibles sistemas planetarios.

¿Cuál es el papel de la astrofísica de laboratorio en la Astrofísica?

La astrofísica de laboratorio proporciona muchos datos acerca de la formación y el comportamiento de moléculas interestelares. Esta información, obtenida principalmente utilizando espectroscopía molecular (pero no sólo) se utiliza para entender problemas astrofísicos tales como los parámetros físicos de diversas regiones del medio interestelar (ISM, por sus siglas en inglés) -de regiones difusas a regiones densas-, los mecanismos por los cuales las nubes moleculares colapsan formando estrellas, la formación de discos protoplanetarios e, incluso, la formación planetaria.

Aunque el modelado es una herramienta importante para entender la evolución del medio interestelar y su conexión con la formación planetaria, los modelos necesitan importantes contribuciones de la física y la química (velocidades de reacción, bases de datos espectroscópicas, canales de reacción, etc.) que solo pueden obtenerse en cuidadosos experimentos de laboratorio muy específicos. Además, simulaciones directas de algunos procesos, como la química de hielos, se benefician mucho de este trabajo de laboratorio cuando, debido a la creciente complejidad de las moléculas formadas, el modelado alcanza sus límites (demasiadas moléculas complejas, muchas rutas de reacción, aumento en las incertidumbres del modelo…). La astrofísica de laboratorio tiene es el juez supremo de la astroquímica. Continue reading Louis d’Hendecourt: “En astroquímica, la astrofísica de laboratorio es el juez supremo”

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“Gas on the rocks”: mezclado, no agitado

Artículo publicado en Naukas el 8 de marzo de 2016

Nebulosa de Orión vista en el infrarrojo. Crédito: ESO/J. Emerson/VISTA. Agradecimiento: Cambridge Astronomical Survey Unit.
Nebulosa de Orión vista en el infrarrojo. Crédito: ESO/J. Emerson/VISTA. Agradecimiento: Cambridge Astronomical Survey Unit.

Isocianato de metilo en el espacio y en los cometas

Uno de los errores de traducción que más me ha llamado la atención ha sido el de la expresión “on the rocks”. Nunca olvidaré aquel clásico de Hollywood en el que alguien le pide un whisky a otro personaje y le dice, “Sí, sobre la roca”… En realidad tendría que haber dicho: “Sí, sólo, con hielo”.

Igualmente curiosa es la traducción de “Shaken, not stirred” para el Martini, que trae a los traductores revueltos, aunque parece que “mezclado, no agitado” ha sido la más aceptada en las últimas apariciones de James Bond. A nosotros, la errónea expresión “sobre la roca” nos viene muy bien para hablar, no ya de whisky, sino de gas: el gas que se deposita sobre la “roca” (ya sea un grano de polvo o un cometa) y que, más tarde, puede acabar transformándose en hielo. Todo muy “on the rocks” y muy mezclado.

Detectar nuevas especies moleculares en el espacio es algo que, hoy en día, se hace con cierta normalidad. Es muy complejo, debido a que las moléculas emiten en el rango del espectro electromagnético menos energético, y por eso son necesarios instrumentos muy sensibles. Hasta hoy se ha detectado un gran número de especies moleculares, y cerca de un 30% de esas detecciones se han llevado a cabo por equipos de investigación españoles.

Una de las metas en toda investigación astroquímica es comprender cómo tienen lugar los fenómenos químicos en el espacio: ¿es importante que una molécula hallada en un cometa se encuentre también en el medio interestelar? ¿Cómo puede condicionar la mezcla de especies moleculares el surgimiento de la vida o las características futuras de un planeta? ¿Qué cantidades son necesarias? ¿Hay entonces alguna relación entre la química del Sistema Solar primitivo y la actual?

Las densas nubes interestelares son los lugares en los que se forman las estrellas y los planetas. La mayor parte de su masa es esencialmente gas molecular con una pequeña fracción de diminutos granos de polvo [1].

Por otro lado, los granos de polvo, generalmente, tienen un núcleo de silicatos sobre el que van adhiriéndose y acumulándose las moléculas de la fase gaseosa, formando mantos de hielo sobre el grano. Esto ocurre durante el colapso gravitacional de las nubes de gas y polvo, nubes a partir de las cuales se formarán nuevas estrellas y sistemas planetarios como el nuestro, dando lugar a planetas gaseosos gigantes y cuerpos rocosos como la Tierra, asteroides y cometas.

Nuestro Sistema Solar se formó hace 4.500 millones de años a partir de una nube interestelar de gas y polvo y, por lo tanto, la composición de los cuerpos que surgieron de ella está estrechamente vinculada con la composición de la nube interestelar de la que nacieron. Así pues, se considera que, por ejemplo, la superficie helada de los cometas es un repositorio de información que nos habla de la composición del gas y el polvo que había en la nebulosa solar primitiva.

El cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko y la nube de Orión

El análisis reciente de la composición de la superficie helada del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko [2] por parte de su aterrizador, Philae, reveló la existencia de un número importante de moléculas orgánicas complejas, la mayoría de ellas ya detectadas en fase gaseosa en nubes interestelares.

Pero entre las especies detectadas en la superficie del cometa había una que no había sido observada previamente en nubes interestelares: el isocianato de metilo (CH3NCO).

Philae detectó la molécula con un espectrógrafo de masas, pero para detectar una especie molecular sobre un cometa se utilizan técnicas distintas a las que se usan en el medio interestelar. De hecho, para confirmar su presencia en el medio interestelar, había que realizar un concienzudo análisis que consiste en obtener el espectro rotacional de las moléculas en el laboratorio de espectroscopía molecular, de manera que pudieran obtenerse frecuencias y líneas correspondientes a esa molécula.

Tras un arduo trabajo de laboratorio que empezó en 2010, un equipo internacional de investigación, liderado por José Cernicharo (del Grupo de Astrofísica Molecular del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)), ha descubierto, en las nubes de Orión, el isocianato de metilo. De hecho, a partir de este trabajo de observación, llevado a cabo con los datos obtenidos con el radiotelescopio IRAM 30-metros y el interferómetro ALMA, se han caracterizado y detectado cerca de 400 líneas de esta molécula.

Este resultado, junto con análisis previos de otros cometas estudiados desde tierra, ha conducido al desarrollo de un importante trabajo en la búsqueda de una posible conexión entre abundancias moleculares interestelares y cometarias.

CH3NCO

El isocianato de metilo (CH3NCO) podría desempeñar un importante papel prebiótico en la formación de péptidos que podrían tener un papel significativo en la evolución química de la Tierra primitiva. Se sabe que, a temperatura ambiente, el metil isocianato reacciona con agua y con muchas sustancias que contienen grupos N-H o grupos O-H [3], comunes en la fase gaseosa en Orión.

Aunque es una molécula potencialmente relevante en la química del medio interestelar, hasta el momento no había sido incluida en ningún modelo químico y su detección no se ha dado a conocer hasta ahora en revistas astrofísicas. Sin embargo, tal y como afirma Cernicharo, “Intuimos su presencia por similitud con otras especies detectadas previamente y, finalmente, la confirmamos. Para nuestra sorpresa, es una de las moléculas más abundantes con un grupo metilo y un grupo isocianato”.

La región de formación de estrellas masivas de Orión es el prototipo de “núcleo caliente”, las zonas más prometedoras para buscar CH3NCO. Su parte más activa es la nebulosa Kleinmann-Low (Orión-KL) donde un grupo de estrellas recién nacidas, profundamente embebidas en la región, interactúa con su material circundante: el hecho de que se haya detectado en núcleos calientes y no en nubes oscuras y frías sugiere una química dominada principalmente por la actividad en los mantos de los granos de polvo. Es decir, la evaporación de los mantos de hielo de los granos de polvo produce una química muy rica, al mezclarse las moléculas de gas originales con las que surgen de esa evaporación.

Por otro lado, se supone que la superficie congelada de los cometas mantiene la memoria de la composición de los granos de polvo de la nebulosa solar primitiva. Estos granos de polvo, si son similares a los de Orión, expulsarán las moléculas tan pronto como se calienten por la radiación o por los impactos con los rayos cósmicos.

Será de gran interés observar la coma del cometa para conocer las abundancias de las especies de la fase gaseosa y obtener información sobre cómo se han identificado moléculas que han sobrevivido a la eyección de la superficie del cometa. Además, es fundamental llevar a cabo experimentos de laboratorio sobre hielos para conocer los procesos de formación de CH3NCO en estas superficies. Conocer su composición original nos ayudará a saber más sobre cuáles son las condiciones necesarias para que surjan sistemas parecidos al nuestro, sistemas que empiezan siendo, simplemente, “gas on the rocks”.

 


Caracterizar en laboratorio

En 2006, este equipo de investigación inició un sondeo profundo de líneas en el dominio milimétrico (80-280 GHz) de Orión KL con el radiotelescopio IRAM 30m con el objetivo de caracterizar completamente su composición química. Sin embargo, debido a la alta temperatura cinética del gas [4], muchos niveles rotacionales y vibracionales de especies abundantes están poblados y producían un bosque de líneas espectrales (es decir, había una enorme cantidad de información “superpuesta”, difícil de descifrar).

El número de líneas no identificadas era demasiado grande para realizar una búsqueda realista de nuevas especies moleculares. Inicialmente se detectaron alrededor de 15.000 líneas espectrales de las cuales 8.000 eran desconocidas. Fue necesario iniciar un trabajo sistemático en los laboratorios espectroscópicos para caracterizar todos los isotopólogos y los estados vibracionalmente excitados de las especies más abundantes en Orion-KL con el fin de identificar las líneas desconocidas.

Se caracterizaron numerosos isotopólogos y estados vibracionales en el laboratorio, identificándolos posteriormente en los datos y reduciendo el número de líneas no identificadas a 4.000, algunas de ellas particularmente fuertes [5].

De las 523 líneas esperadas de CH3NCO en los datos obtenidos por el equipo, 282 se encuentran sin mezclar con otras y 119 se mezclan parcialmente con otras especies (sin que esto impida identificarlas sobre el perfil de la línea). Las otras 122 líneas se mezclan completamente con líneas de otras especies más abundantes, la mayoría de ellas en el dominio de longitudes de onda de 1,3 mm (197-280 GHz), donde la densidad de líneas en Orión crece enormemente.


 

Notas:

[1] La fracción de granos de polvo es de ~1/200. La especie molecular más abundante es el hidrógeno molecular (H2), seguida del CO. A esta lista se suman más de 180 moléculas complejas en distintas proporciones.

[2] El experimento COSAC (Cometary Sampling and Composition) a bordo del aterrizador Philae de la misión Rosetta, ha medido in situ las abundancias de los principales componentes de la superficie del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko.

[3] CH3NCO fue la responsable de las muertes en el desastre industrial de Bhopal.

[4] TK ~ 100-300 K

[5] Un gran número de isotopólogos que contienen 13C, 15N, 18O y estados vibracionalmente excitados de especies como CH2CHCN, CH3OCOH, CH3CH2CN, y NH2CHO entre otras, fueron completamente caracterizadas en el laboratorio e identificadas en los datos. También se detectaron nuevas moléculas tales como amonio, NH3D+, acetato de metilo, CH3COOCH3 y metil etil éter, CH3OCH2CH3.

 

Más información:

Este trabajo ha sido presentado en el artículo “A rigorous detection of interstellar CH3NCO: An important missing species in astrochemical networks”, publicado en la revista Astronomy and Astrophysics, y sus autores son José Cernicharo (Grupo de Astrofísica Molecular, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), CSIC, España); Zbigniew Kisiel (Laboratorio de espectroscopía milimétrica y submilimétrica, Instituto de Física, Academia Polaca de Ciencias, Polonia); Belén Tercero (Grupo de Astrofísica Molecular del ICMM, CSIC, España); Lucie Kolenisková (Grupo de Espectroscopía Molecular (GEM), Área de Química-Física, Laboratorios de Espectroscopia y Bioespectroscopia, Universidad de Valladolid (UVa)-Unidad Asociada CSIC, España); Ivan R. Medvedev (Departamento de Física, Universidad del Estado de Ohio, Columbia, EE.UU.); Alicia López (Grupo de Astrofísica Molecular del ICMM, CSIC, España); Sarah Fortman (Departamento de Física, Universidad del Estado de Ohio, Columbia, EE.UU.); Manfred Winnewisser (Departamento de Física, Universidad del Estado de Ohio, Columbia, EE.UU.); Frank C. De Lucia (Departamento de Física, Universidad del Estado de Ohio, Columbia, EE.UU.); José Luis Alonso (GEM-UVa, Unidad Asociada CSIC, España); y Jean-Claude Guillemin (Instituto de Ciencias Químicas de Rennes, Escuela Superior Nacional de Química de Rennes, CNRS, Francia).

Imágen de cabecera:
Nebulosa de Orión vista en el infrarrojo.
Crédito: ESO/J. Emerson/VISTA. Agradecimiento: Cambridge Astronomical Survey Unit
Enlace a imagen original.

Vídeo:
Impresión artística que nos lleva en un viaje en 3D por la nebulosa de Orión. Crédito: ESO/M. Kornmesser. Enlace a vídeo original.

 

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El lugar donde nacen los planetas

Abaurigae_hst_bigSe detecta monóxido de azufre (SO) en un disco de transición

Las estrellas jóvenes están rodeadas de discos de gas y polvo que, con el tiempo, evolucionan hasta acabar formando sistemas planetarios. En sus inicios, estos discos protoplanetarios cuentan con una abundante cantidad de gas que irán perdiendo con el tiempo hasta que solo queden los residuos del proceso de formación estelar: granos de polvo y planetesimales (cuerpos rocosos de tamaños de unos pocos kilómetros). Puesto que el gas y el polvo que se encuentran en los discos protoplanetarios son la materia prima de la que nacen los planetas, la comprensión de su química es de vital importancia para entender el origen de la vida.

Uno de los principales objetivos en la astrofísica actual es comprender cómo se formaron la Tierra y los planetas hace millones de años. El estudio de estrellas similares al Sol, pero más jóvenes, nos permite profundizar en el conocimiento de la formación e infancia de nuestro  Sistema Solar.

La estrella AB Aurigae, una estrella de tipo Herbig Ae, alberga un conocido disco protoplanetario que parece estar iniciando la fase de formación de planetas. Los discos que se encuentran en esta etapa se conocen como “discos de transición”. Esta estrella fue observada con la técnica de la interferometría, y en estos datos se vio que el disco polvoriento era muy asimétrico y que tenía forma de herradura [1]. Hasta el momento, esta morfología se ha observado en algunos discos de transición y se ha interpretado como un indicio de que la formación de planetas ha comenzado. Continue reading El lugar donde nacen los planetas

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Nanocosmos en los “Encuentros sobre fronteras de la ciencia”

Sección central de una serie de imágenes que, al igual que en un escaneado, nos permiten distinguir la distribución de la materia en torno a la estrella IRC+10216. Los datos para componer esta imagen han sido obtenidos por el telescopio IRAM 30m.
Distribución de la materia en torno a la estrella IRC+10216. Los datos para componer esta imagen han sido obtenidos por el telescopio IRAM 30m.

Mañana, dos de diciembre, comienzan en Valladolid las jornadas “Encuentros sobre fronteras de la ciencia”, organizados por la Fundación Duques de Soria, la Universidad de Valladolid, la Fundación Universidades Castilla y León y la Universidad de Salamanca.

Durante dos días, estos encuentros abordarán cuestiones como el magnetismo, los neutrinos, la relatividad, el grafeno y la astroquímica, entre otras. Para tratar sobre los avances que ha tenido la astroquímica en los últimos años, José Cernicharo, Jefe del Grupo de Astrofísica Molecular del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) y uno de los investigadores principales del proyecto Nanocosmos, ofrecerá la charla “Astroquímica: complejidad química en el espacio”. Será mañana, día dos, a las 12:00 en el Campus Miguel Delibes (Aulario, Aula Magna, Paseo de Belén, 9) de Valladolid. Continue reading Nanocosmos en los “Encuentros sobre fronteras de la ciencia”

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De lo pequeño a lo inmenso: cómo nace una estrella

Entrevista con Paola Casselli*

Publicada en Hablando de Ciencia el 4 de julio de 2015

Crédito: www.mpe.mpg.de
Crédito: www.mpe.mpg.de

Se llama Paola Casselli y hace un año y medio se mudó, desde la Universidad de Leeds (Inglaterra), a Garching (Múnich, Alemania), para dirigir el “Centre for Astrochemical Studies”, creado en el “Instituto Max Planck para el estudio de la física extraterrestre” (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics). Experta en la astroquímica asociada a la formación de estrellas, ha iniciado una nueva aventura: montar un laboratorio para el estudio de los procesos químicos que tienen lugar en el espacio con el fin de comprender cómo tienen lugar*.

¿Por qué es necesario hacer pruebas en un laboratorio para saber qué ocurre en el espacio?

A veces no sabemos qué molécula estamos observando. Si nos fijamos en los espectros con abundantes líneas, no sabemos cuáles son todas las moléculas que se encuentran en el espacio, por la sencilla razón de que, esas moléculas, normalmente, son muy reactivas en la Tierra, por lo que desaparecen rápidamente en las condiciones experimentales normales de nuestros laboratorios. Por eso tenemos que recrear lo mejor posible las condiciones del espacio en el laboratorio para poder ver las moléculas que observamos, medir sus frecuencias y determinar su estructura, lo que posteriormente nos ayudará a interpretar las observaciones. Continue reading De lo pequeño a lo inmenso: cómo nace una estrella

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Astromol en las jornadas de ALMA y Herschel

conf_poster_0044Esta semana Astromol está presente en dos interesantes jornadas que se desarrollan en torno a los instrumentos del proyecto: el satélite espacial Herschel y el conjunto de radioantenas ALMA.

Se trata de “ALMA/Herschel Archival Workshop 2015“, unas jornadas que se centran en las sinergias que hay entre los archivos de datos recogidos por ambos instrumentos, y de “ALMA Community Days: Cycle 3 Proposal Preparation”, una reunión científica cuyo fin es poner al día a la comunidad científica de las optimizaciones y nuevas capacidades que, paulatinamente, va ofreciendo este enorme conjunto de 66 radioantenas.

Miembros de Astromol participarán como asistentes en ambas jornadas, y como ponentes, dando charlas en la sesión de “Astroquímica, estrellas evolucionadas y objetos del Sistema Solar”.

Conjunto de radioantenas ALMA. Crédito: ESO/B. Tafreshi (twanight.org).
Conjunto de radioantenas ALMA. Crédito: ESO/B. Tafreshi (twanight.org).
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Manuel González en la final española de Famelab

Manuel González es astrofísico en el Grupo de Astrofísica Molecular del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) y miembro de ASTROMOL.

Tras ser seleccionado para la semifinal, que se celebró el pasado 20 de marzo en Barcelona, ha pasado a la final del certamen de monólogos científicos Famelab, organizado en España por FECYT (Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología).

Aquí os dejamos su actuación, en la que canta y cuenta cómo nacen, viven y mueren las estrellas. 😉

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El misterio de la pérdida de masa en CW Leonis

Imagen1
Imagen1: Distribución de la materia en torno a la estrella IRC+10216. Más información.

Analizando datos del telescopio IRAM 30m, un equipo de astrofísicos, con miembros de ASTROMOL, revela la posible existencia de una estrella compañera que, al pasar cerca de CW Leonis, “devoraría” parte de su masa, acelerando así su muerte estelar

La masa y composición química de la materia que expulsan las estrellas, son clave para nuestra comprensión de la evolución química galáctica. La principal fuente de material eyectado son las explosiones de supernova y los vientos de estrellas AGB.

La fase AGB (siglas en inglés de asymptotic giant branch, rama asintótica de las gigantes) es un periodo en la fase final de la vida de una estrella de masa intermedia. Tras agotar el hidrógeno del núcleo, comienza a utilizar el helio como “combustible”, expandiéndose y enfriándose, lanzando al entorno el material que la compone en forma de capas. Dentro de la fase AGB hay una etapa denominada de “AGB térmicamente pulsante” (TP-AGB), y se sabe que en esta etapa las estrellas proporcionan hasta tres cuartas partes de la materia que vuelve al medio interestelar. Continue reading El misterio de la pérdida de masa en CW Leonis

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Fotodisociación en astroquímica

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Varios miembros de ASTROMOL han participado en este encuentro, “Photodissociation in astrochemistry”, celebrado la semana pasada en Leiden (Países Bajos).

El objetivo del encuentro era definir cuáles son las cuestiones abiertas y las prioridades relacionadas con el estudio de la fotodisociación dentro del campo de la astroquímica. Asimismo, el encuentro ha querido evaluar las herramientas con las que contarán en el futuro los espectroscopistas y los físico-químicos. Unos 40 expertos en física de láseres, química cuántica y modelado de nubes interestelares y atmósferas planetarias, asistieron al encuentro.

Ya están disponibles un resumen de los resultados, algunos materiales relacionados con la fotodisociación en astroquímica, y la mayor parte de las presentaciones para su consulta (en inglés).

Toda la información sobre “Photodissociation in astrochemistry”

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