The aim of this PhD thesis is to expand our knowledge of particular processes taking place in the interstellar medium (ISM). These processes are related in one way or another to the energetic processing of the interstellar dust grains and the ice mantles on top of them, and to the interplay between the solid and the gaseous phases of the ISM. In particular, photon-induced desorption processes of ice molecules in cold regions of the ISM are needed to explain the observed gas-phase abundances of several species. It is therefore a paradigmatic case of the interaction between the two phases of the ISM, and its importance is nowadays beyond any doubt.
The core of this thesis (Part IV) is devoted to the study of such processes. Astrophysics is no longer about observations only. Both experimental simulations under astrophysically relevant conditions, and theoretical models are used to complement the observations and get a better understanding of the processes that are taking place in space and the ISM in particular. The results presented in this thesis have been obtained using a combination of these three methodologies, although more attention is paid to laboratory astrophysics.
Parts III (Chapter 5 and IV (Chapters 6 – 11) deal with experimental simulations carried out in a high-vacuum (HV) and an ultra-high-vacuum (UHV) chambers. These chambers have base pressures slightly over (in the case of the HV) or similar (UHV) to those found in the densest regions of the ISM. A closed-cycle helium cryostat is used in both cases to reach the temperatures typically found in the cold and warm ISM (below 100 K, and as low as 10 K in the densest and coldest regions). Under these conditions, dust or ice analogs can be grown onto a substrate in order to simulate the energetic processing (photoprocessing in most chapters, but also thermal processing) of the solid component of the ISM…
El ciclo de la materia en el medio interestelar: procesamiento energético del polvo y el hielo
El objetivo de esta tesis doctoral es el de profundizar en el conocimiento de los procesos que tienen lugar en el medio interestelar (MI) relacionados con el procesamiento energético de granos de polvo interestelares y los mantos de hielo que los recubren, y en particular, de los procesos de desorción inducida por fotones de las moléculas del hielo en las regiones frías del MI que son necesarios para explicar las abundancias de ciertas especies observadas en la fase gaseosa.
En astrofísica no sólo se utilizan las observaciones astronómicas, sino que también se usan simulaciones experimentales en condiciones relevantes para la astrofísica y simulaciones teóricas para complementar la información obtenida a través de las observaciones y conseguir así un mejor entendimiento de los procesos que ocurren en el espacio en general y el MI en particular. Los resultados presentados en esta tesis han sido obtenidos combinando estas tres metodologías, aunque la astrofísica de laboratorio ha tenido un peso mayor.
Tras los capítulos de introducción, en el capítulo 5 se presenta el estudio experimental del procesamiento por fotones UV de partículas análogas a los granos de polvo carbonáceos que se encuentran en el MI, a distintas temperaturas. La irradiación produce la formación de moléculas de H2 que luego difunden a través de las partículas y pasan a la fase gaseosa. Este proceso está controlado por el coeficiente de difusión, cuya dependencia con la temperatura fue el objeto de estudio, obteniéndose una energía de activación de 1660 K. Es en la superficie de estos granos de polvo donde se forman los mantos de hielo en las regiones más frías y más densas del MI. En el capítulo 6 se demuestra que las condiciones en las que se forman los hielos de CO afectan a las energías de enlace entre las moléculas, y por tanto a la morfología de los mismos. Sin embargo, las diferencias se desvanecen cuando los hielos son calentados.
Los capítulos 7 -10 están dedicados al procesamiento con fotones UV de los mantos de hielo, prestando especial atención a los procesos de desorción inducidos por los fotones, que constituyen el núcleo de la tesis. En el capítulo 8 se estudia la irradiación de un hielo puro de CO2. Gracias a la combinación del espectrómetro IR (que observa la composición del hielo) y el cuadrupolo de masas (que monitoriza el gas) se pudo obtener una cuantificación completa de los procesos fotoquímicos y de fotodesorción. En los capítulos 9 y 10 se usaron un hielo puro de etanol, y una mezcla binaria rica en agua con moléculas de metano, más realista para explorar la posible formación (a temperaturas muy bajas en torno a 8 K) y la consiguiente desorción de moléculas de metanol y otras especies relacionadas. La formación de metanol sólo se produjo durante la irradiación de la mezcla binaria, pero no se detectó su fotodesorción. A pesar de todo se observó que la fotodesorción de otros fotoproductos puede seguir dos patrones distintos a medida que aumenta el tiempo de irradiación, según el mecanismo a través del es inducida la fotodesorción…
