Quanten-Ionendynamik in der Astrochemie: Dipolare Effekte in Theorie und Experiment

Die langreichweitige Wechselwirkung zwischen dipolaren Molekülen und Elektronen führt zu gebundenen und resonanten Zuständen unter und über der Schwelle für Elektronenanlagerung. Für Stöße von dipolaren Molekülen mit Ionen erhöht die langreichweitige Wechselwirkung die Reaktivität, ein Effekt der vor allem bei tiefen Temperaturen hervortritt. Die Bedeutung dieser Effekte für die Erzeugung und Zerstörung linearer Kohlenstoff-haltiger Molekülanionen ist Thema dieses Projekts. Diese Anionen wurden kürzlich bekannt durch ihre radioastronomische Entdeckung in mehreren interstellaren und zirkumstellaren Molekülwolken. Sie könnten einen wesentlichen Anteil der negativen Ladung in interstellaren Wolken tragen. Dies und ihre Rolle in der zeitlichen Entwicklung interstellarer Wolken sind allerdings bis heute nicht verstanden. In diesem Projekt werden experimentelle und theoretische Ansätze kombiniert, um Resonanzen im Licht-induzierten Photodetachment negativ geladener Carbonitril-Moleküle sowie die Reaktivität dieser Spezies in Stößen mit Wasserstoff zu untersuchen. Wir werden Ionenspeicherung in einer kryogenen Radiofrequenz-Multipolfalle in den Experimenten und Multikanal Quantenstreu-Rechnungen für die Theorie verwenden. Für drei Kohlenstoffatome und ein Stickstoffatom ergibt sich ein molekulares Dipolmoment das groß genug ist, dass Dipol- gebundene Zustände für das zusätzliche Elektron entstehen. Diese Zustände können nicht nur den Photodetachment-Wirkungsquerschnitt verändern, sondern auch eine Rolle in der radiativen Anlagerung von Elektronen an neutrale Moleküle spielen, vermutlich der entscheidende Bildungsprozess für die beobachteten interstellaren molekularen Anionen. In Reaktionen von Wasserstoffatomen mit negativen Ionen ist assoziatives Detachment, wobei das zusätzliche Elektron freigesetzt und ein neutrales Molekül gebildet wird, der dominante Prozess. Bei interstellaren Temperaturen ist die Reaktivität für diese Prozesse nicht bekannt. Die Untersuchung dieser Probleme mit unserer kombinierten experimentellen und theoretischen Forschung wird es uns erlauben den Einfluss der langreichweitigen Ladung-Dipol-Wechselwirkung auf die Häufigkeit interstellarer Kohlenstoff-Kettenmoleküle besser zu verstehen.

Negativ geladene Moleküle wurden vor etwas mehr als zehn Jahren im Interstellaren Medium beobachtet. Da das überzählige Elektron normalerweise mit einer Energie gebunden ist, die kleiner ist als die der chemischen Bindung zwischen den Atomen, war das Vorkommen einer großen Anzahl negativer Ionen nicht erwartet worden. Die radioastronomischen Beobachtungen haben daher zu mehreren Fragen hinsichtlich der Bildung und Zerstörung dieser interstellaren Anionen geführt. In diesem Projekt haben wir mehrere wichtige Stoß- und Reaktionsprozesse untersucht, die interstellare Anionen erzeugen oder vernichten können. Wir haben Reaktionen von Wasserstoffanionen mit neutralen Molekülen untersucht, die interstellare Anionen bilden können, und mit dem Prozess der radiative Elektronenanlagerung verglichen. Um ein genaueres Verständnis zu erhalten haben wir den umgekehrten Prozess der Photoablösung an der Schwelle untersucht und die Daten dazu verwandt um nach schwach gebundenen Zuständen der negativen Ionen zu suchen, die als Zwischenschritte bei der Bildung negativer Ionen dienen könnten. Schließlich haben wir Reaktionen von neutralen Wasserstoffatomen mit negativen Ionen untersucht, die neutrale Moleküle bilden können und damit die Anionen zerstören. Zusammenfassend fanden wir heraus, dass die Reaktionen der Wasserstoffanionen mindestens so wichtig für die Bildung der beobachteten interstellaren Ionen sind, wie die radiative Elektronenanlagerung. Wir haben auch zwei Anionen untersucht, die den beobachteten Anionen ähnlich sind, aber bisher nicht beobachtet wurden. Für eines der beiden konnten wir das auf kleine Bildungsraten zurückführen. Für das andere berechnen wir Bildungsraten, die die Beobachtung dieses Anions möglich machen könnten. Die Arbeit in diesem Projekt wurde durch die Kombination aus Experimenten mit kalten Ionen in Radiofrequenzfallen und theoretischen Berechnungen der Molekülpotentialkurven und quantenmechanischen Streurechnungen durchgeführt.