PROPEDADES DE HIELOS ASTROFÍSICOS

2024

AGENCIA ESTATAL DE INVESTIGACION

INV. COMPETITIVA PROYECTOS

Satorre Aznar Miguel Ángel

Los hielos, fase sólida de moléculas que en condiciones normales son gases o líquidos, son cruciales en la evolución química en el espacio. Su complejidad depende de procesos de formación molecular en ellos, cambios de fase, o reacciones químicas debidas a rayos cósmicos, rayos X, UV, iones, variaciones de temperatura, etc. Los efectos de estos procesados dependen de la estructura del hielo, de su composición, y de las interacciones intermoleculares. Para cuantificarlos y comprenderlos, los laboratorios forman hielos simulando composiciones, condiciones y procesos que ocurren en el espacio. Para determinar los espesores de los hielos de laboratorio se necesita la parte real del índice de refracción (n). Además, ésta permite calcular sus constantes ópticas en todo un rango electromagnético (ej. NIR, MIR, FIR), utilizadas en simulaciones para reproducir observaciones. Las condiciones de formación de los hielos determinan el valor de n, que no es conocido para determinados hielos puros y para sus mezclas. Los laboratorios también determinan la fuerza de banda de moléculas puras, o mezclas, principalmente en el infrarrojo medio. Una de las principales fuentes de error en esas determinaciones es la densidad promedio de dichos hielos. Ésta suele tomarse como 1 g cm-3, que no es siquiera la del hielo de agua en la Tierra. Existen hielos con densidades menores de 0.5 g cm-3 (CH4) mientras otros llegan a 1.5 g cm-3 (CO2). El índice y la densidad del hielo de agua, siendo la molécula helada más abundante, no se ha medido directamente para las diferentes posibilidades de formación, aunque sí su densidad intrínseca (sin poros). Ambas determinan la porosidad, que evalúa la capacidad de retener moléculas por encima de su temperatura de sublimación. Moléculas como CO, N2 o CH4, que subliman en alto vacío por debajo de 40 K, pueden quedar retenidas en la estructura de hielos como CO2, NH3, CH3OH, o H2O, hasta que éstas subliman a unos 90, 110, 140 y 170 K respectivamente. El Subproyecto 2 pretende obtener la densidad y el n de hielos puros o en mezcla que tengan interés astrofísico, a diferentes temperaturas de formación y su evolución al calentarlos. La medida de densidad y de n con la variación de temperatura no se ha llevado a cabo anteriormente por ningún otro grupo de investigación. Para ello se incorporarán técnicas de interferometría que permitan determinar variaciones estructurares al procesar los hielos puros y sus mezclas. Además, se estudiará cómo difunden y subliman las moléculas más volátiles en el seno de hielos como el de H2O, CO2, CH3OH o NH3. Se simularán sus estructuras para obtener la densidad intrínseca de los hielos y la interacción de volátiles en ellas mediante el software Materials Studio. Estos dos últimos objetivos continúan la línea iniciada en proyectos anteriores del Plan Nacional. Las muestras que se investigarán serán las relacionadas con el Subproyecto 1 que compone la actual propuesta y la coordina. Contamos con una microbalanza de cuarzo criogénica para el estudio de la difusión y sublimación de hielos. La balanza e interferometría de doble laser permitirán medir directamente la densidad promedio y el n a determinadas temperaturas de depósito y, con un espectroscopio UV-Vis y un interferómetro Mach-Zehnder, que utiliza los mismos principios que en holografía en la que ya ha trabajado el IP de este subproyecto, los cambios estructurales al calentar las muestras.