Att bilda och bryta molekylära bindningar – i rymden och i laboratoriet

Bild på det interstellära molnet Carina-nebulosan tagen med hjälp av James Webb Space Telescope.NASA, ESA, CSA, STScI, Megan Reiter (Rice University), bearbetad av Joseph DePasquale (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI).

Samma förhållanden som när stjärnor föds

Forskargruppen studerar atomer och molekyler vid mycket låga temperaturer, omkring 13 kelvin eller -260 °C, vilket motsvarar temperaturen i de gasmoln i det så kallade interstellära mediet där nya stjärnor och planetsystem föds.

– Vid så låga temperaturer rör sig molekylerna långsamt, vilket förhindrar många typer av kemiska reaktioner. Men om en kollision sker mellan en positivt och en negativt laddad jon kan en så kallad laddningsöverföringsprocess ske. Då finns mer energi tillgänglig än om två neutrala partiklar möts, vilket leder till att bindningar kan brytas och nya molekyler bildas, säger Henning Schmidt, professor i atomfysik vid Fysikum och föreståndare för den nationella forskningsinfrastrukturen, DESIREE, Stockholms universitet.

Studerar hur elektroner överförs

Genom att kombinera teori, modellering och experiment kommer forskargruppen att utveckla detaljerade beskrivningar av de mekanismer som styr de reaktiva laddningsöverföringsprocesserna, det vill säga processer där kolliderande molekylers struktur eller sammansättning förändras samtidigt som elektroner överförs från den ena jonen till den andra.

– Vår hypotes är att dessa processer har stor betydelse för tillväxten av molekyler i interstellära mediet där temperaturen på den tunna gas som finns där är mycket låg, men där atomer och molekyler trots det kan joniseras av olika former av strålning, säger Henning Schmidt.

Insidan av den dubbla elektrostatiska jonlagringsringen DESIREE. Foto: Stockholms universitet

Avancerad forskningsinfrastruktur

Forskargruppen planerar att studera processen med hjälp av DESIREE:s två elektrostatiska lagringsringar där joner med motsatta laddningar lagras i varsin ring. Under en gemensam raksträcka rör sig jonerna tillsammans åt samma håll. Där sker kollisioner mellan joner med låg relativ hastighet. De neutrala molekyler eller atomer som skapas i experimentet då en elektron hoppar från en negativ till en positiv jon, lämnar sedan lagringsringarna och träffar en detektor.

– Vi vill kunna se vilka reaktioner som sker i samband med elektronöverföringen även för molekyler bestående av många atomer, säger Henning Schmidt. För att åstadkomma detta utvecklar vi tillsammans med tyska kollegor en ny typ av detektor, en så kallad mikrokalorimeter. Med denna kan vi mäta de neutrala produkternas rörelseenergi och därmed härleda deras massa och identitet.

Teori blir praktik

Målet är att de nya experimentella resultaten och de teoretiska beräkningarna tillsammans ska kunna bestämma hur effektiva olika reaktiva laddningsöverföringsprocesser är, för att kunna bedöma hur mycket de påverkar olika typer av kalla miljöer exponerade för joniserande strålning.
– Genom att vara aktiva i ett stort internationellt projekt i anslutning till James Webb Space Telescope, kommer vi sedan att tillämpa och testa våra nya kunskaper och modeller för att bidra till nya tolkningar av den alltmer förfinade informationen om universum som teleskopet levererar.

Läs mer om Henning Schmidts forskning