Efeitos físico-químicos produzidos por raios cósmicos galácticos em

Efeitos físico-químicos produzidos
por raios cósmicos galácticos em
gases condensados
Vinicius Bordalo (ON/MCTI)
Rio, 11 de Junho 2013.
Colaboração Brasil-França
Brasil:
Enio F. da Silveira (coord., PUC-Rio)
Cássia R. Ponciano (PUC-Rio)
Christian G. Mejía (PUC-Rio)
Vinicius Bordalo (ON/MCTI)
Ana L. de Barros (CEFET/RJ)
Eduardo Seperuelo Duarte (IFRJ)
Diana Andrade (UNIVAP)
Sergio Pilling (UNIVAP)
Ana Mônica Ferreira-Rodrigues (UNIRIO)
Luiz Vieira Mendez (UFBA)
Estudantes:
Jean Michel da S. Pereira (Mestr., PUC-Rio)
Cíntia A. Pires da Costa (IC, PUC-Rio)
França:
Philippe Boduch (GANIL)
Hermann Rothard (GANIL)
Alicja Domaracka (GANIL)
Estudante:
Xue-Yang Lv (Dout., GANIL)
No Meio Interestelar…
SN, SNR,
BH…
Cosmic rays and
UV photons
Ice mantles
NH3
Gelos interestelares - Spitzer Legacy
Öberg et al. (2011)
Gelos interestelares - Spitzer Legacy
YSOs
29%
13%
29%
13%
3%
4%
5%
5% 5%
2%
0.3% 0.6%
Öberg et al. (2011)
Gelos interestelares - Spitzer Legacy
(polar ice)
Öberg et al. (2011)
(apolar ice)
Gelos interestelares - Spitzer Legacy
Elias 16
CO:CO2 apolar
ice (100:26, 10K)
H2O: CO2 polar ice
(100:14, 10K)
best fit
CO2 (15.2 mm, bend. mode)
Bergin et al. 2005,
ApJ, 627, L33
Gelos no Sistema Solar - Hartley 2
Moléculas :
103P/Hartley 2
H2O, CO2,
HCN, CH4,
C2H6, CH3OH,
C2H2, H2CO, e
NH3
q= 1.05 AU
Q = 5.88 AU
per. orb. = 6.47 anos
Imagem: EPOXI
Mumma et al. 2011, ApJ, 734, L7
Meech et al. 2011, ApJ, 734, L1
Radicais:
OH, e NH2
Gelos no Sistema Solar - Hartley 2
Mumma et al. 2011, ApJ, 734, L7
Gelos no Sistema Solar - Europa
Espectro Galileo/NIMS
(Europa)
Johnson et al. 2004
Gelos no Sistema Solar - Calisto
Espectro Galileo/NIMS
(Calisto)
?
?
Johnson et al. 2004
Astroquímica de laboratório
• Objetivos
– Estudar a interação de íons, elétrons e fótons energéticos com
materiais típicos do meio interplanetário, em particular gases
condensados, silicatos e carbonatos.
• Fenômenos
– erosão provocada pelo impacto dessas partículas na superfície de
sólidos análogos aos existentes em cometas, satélites com atmosfera
escassa, grãos espaciais e na superfície de sondas e satélites
artificiais;
– modificações cristalinas e reações químicas induzidas no interior
desses sólidos pela radiação.
• Aplicações relevantes
– estimativa sobre o tempo útil de dispositivos em órbita;
– estudo sobre a formação e a destruição de moléculas pré-bióticas em
cometas e poeira cósmica.
Mecanismos e técnicas
• erosão (sputtering) de superfícies
FTIR
QMS
• propriedades ópticas
• processamento químico e térmico
PDMS (FF 252Cf + TOF)
• emissão de íons secundários (sputtering)
QMS ou TOF
FTIR
Primeiros trabalhos:
emissão de íons secundários de gelos (PDMS/FF 252Cf + TOF)
(H2O)nH3O+
(H2O)nOH-
Farenzena et al. 2005, EMP 97, 311
Primeiros trabalhos:
emissão de íons secundários de gelos (PDMS/FF 252Cf + TOF)
Farenzena et al. 2005, EMP 97, 311
Sistema PDMS/FF 252Cf + TOF
Trabalho em andamento:
emissão de íons secundários de gelos (PDMS/FF 252Cf + TOF)
Aerosóis em Titã
Bordalo et al. em prep.
Laboratory
Data
GANIL/France
Van de Graaff
(PUC-Rio)
Laboratório:
•
•
•
•
•
Feixes de íons: 0.5-2 MeV (H+, He++, Nn+, On+)
Canhão de elétrons
Câmera UHV
Espectroscopia (FTIR) + criogenia
PDMS + criogenia
Sistema VDG/FTIR
Metodologia
before
after
energetic ions
thin ice sample
Cold substrate
(CsI or KBr)
Metodologia
before
Cold substrate
(CsI or KBr)
ex:
IR spectroscopy
(FTIR)
Metodologia
Metodologia
Metodologia
Metodologia
Trabalhos selecionados:
irradiação de gelos de CO2 (FTIR)
46 MeV 58Ni11+ / gelo C18O2
Seperuelo Duarte et al. 2009,
A&A 502, 599
Principais produtos: CO, CO3, O3 e C3
Trabalhos selecionados:
irradiação de gelos de CO (FTIR)
50 MeV 58Ni13+ e 537 MeV 64Ni24+ / gelo C18O
Seperuelo Duarte et al. 2010,
A&A 512, 71
Stopping power theory
• The Classical Theory: Bohr Approach (1913)
• The Quantum Mechanical Approach: The Bethe-Bloch Theory (1930; 1933)
using Born approximation
– Low Velocities: Shell Correction
– The Condensed Phase: Density Correction
Stopping power theory
We are not familiar with…
• Electronic stopping power:
[keV/mm]
• Fluence: [ion cm-2]
• Dose: [eV/molecule]
• Cross section: [cm2];
Radiolytic yield (G-value):
[molecule (100 eV)-1]
Se
F
1
D  SF
 ;G
Trabalhos selecionados:
irradiação de gelos de CO (FTIR)
50 MeV 58Ni13+ e 537 MeV 64Ni24+ / gelo C18O
Hipótese de Léger et al. 1985,
A&A 144, 147
Seperuelo Duarte et al. 2010,
A&A 512, 71
Trabalhos selecionados: radiólise de gelos
220 MeV 16O7+ / CH4
• Results:
– C2H6 > C2H4 > C2H2 > C3H8
– CH4 destruction:
Projectile
G (molec/100 eV)
220 MeV O
5.0
7.3 MeV H+
0.6
9.0 MeV He++
0.9
de Barros et al. 2011,
A&A 531, 160
Trabalhos selecionados: radiólise de gelos
16ARIBE/GANIL/França
MeV 16O5+
220 MeV 16O7+
606 MeV 65Zn20+
774 MeV 86Kr31+
de Barros et al. 2011,
MNRAS 418, 1363
gelo CH3OH (metanol, 15 K)
Trabalhos selecionados: radiólise de gelos
ARIBE/GANIL/França
Processamento de gelo CH3OH (15 K)
por ions pesados
de Barros et al. 2011,
MNRAS 418, 1363
Trabalhos selecionados: Implantação de íons
ARIBE/GANIL/França
30 keV 13Cq+ (q=2,3) em gelo H2O
(15 e 80 K)
Resultados:
- rendimentos (yields) dos
produtos da implantação: 13CO2
Lv et al. 2012,
A&A 546, 81
Trabalhos selecionados: Implantação de íons
ARIBE/GANIL/França
13Cq+ (q=2,3) em gelo H O (15 e 80 K)
30 keV
2
yield = 0.32-0.57 molec ion-1
Lv et al. 2012,
A&A 546, 81
Trabalhos selecionados: radiólise de gelos
267ARIBE/GANIL/França
MeV 56Fe22+ / gelo HCOOH (ácido fórmico, 15 K)
Principais produtos: CO, CO2 e H2O
Andrade et al. 2013,
MNRAS 430, 787
Trabalhos selecionados: radiólise de gelos
267ARIBE/GANIL/França
MeV 56Fe22+ / gelo HCOOH (ácido fórmico, 15 K)
Lei de potência: d  Sen
Andrade et al. 2013,
MNRAS 430, 787
Trabalhos selecionados: radiólise de gelos
ARIBE/GANIL/França
536 MeV 16Ni24+
Experimentos
NH3 puro
NH3:H2O (1:1)
NH3:H2O (1:10)
606 MeV 70O26+ / NH3 puro
Bordalo et al. 2013,
ApJ submetido
Trabalhos selecionados: radiólise de gelos
ARIBE/GANIL/França
536 MeV 16Ni24+
NH3 puro
NH3:H2O (1:1)
NH3:H2O (1:10)
606 MeV 70O26+ / NH3 puro
Bordalo et al. 2013,
ApJ submetido
Trabalhos selecionados: sobrevivência de
aminoácidos (glicina)
1 MeV H+ / glicina
(VDG/PUC-Rio)
Pilling et al. 2013,
Astrobiology 13, 79
Trabalhos selecionados: sobrevivência de
aminoácidos (glicina)
1 MeV H+ / glicina
(VDG/PUC-Rio)
b-glicina é a mais
resistente e
possivelmente aquela
que levaria a formação
de peptídeos
Pilling et al. 2013,
Astrobiology 13, 79
Estado atual da pesquisa (FTIR)
• Acumulo de conhecimento sobre os principais produtos da radiólise
de gases condensados e misturas:
alvos
agentes ionizantes
50 MeV Ni
536 MeV Ni
606 MeV Zn
6 MeV O
220 MeV O
267 MeV Fe
CO
CO2
CH4
CH3OH
HCOOH
NH3
H2O
H2O+CO2
H2O+CO+NH3
H2O+NH3
• Estimativas de taxas de formação e destruição (f e d) das
moléculas observadas através da espectroscopia FTIR;
• Estimativas de taxas de erosão (sputtering yields, Y);
• Acumulo de conhecimento de propriedades ópticas (IR) de gelos
sob o efeito da radiação e de mudanças no ambiente molecular.
Estado atual da infraestrutura (VDG/PUC-Rio)
• Sistema FTIR/VDG em funcionamento para amostras a temperatura
ambiente: silicatos, carbonáceos e aminoácidos;
• Laboratório com atmosfera cotrolada para uso contínuo do
equipamento;
• Câmera de análise pronta para o acoplamento do sistema de
criogenia;
• Câmara de mistura de gases pronta;
• Nova fonte de ionização adquirida: canhão de elétrons
• Últimos passos para a irradiação de amostras congeladas:
– Instalação do criostado/controlador de temperatura
– Instalação do tudo de depósito de gases para criação de amostras
Recentes publicações:
2012
Formation of unsaturated hydrocarbons in interstellar ice analogs by cosmic ray
S. Pilling, D. P. P. Andrade, E. F. da Silveira, H. Rothard, A. Domaracka, P. Boduch 2012, MNRAS 423, 2209
Implantation of Multiply Charged Carbon Ions in Water Ice
X. Y. Lv, A. L. F. de Barros, P. Boduch, V. Bordalo, E. F. da Silveira, A. Domaracka, D. Fulvio, C. A. Hunniford, T. Langlinay, N. J. Mason,
R. W. McCullough, M. E. Palumbo, S. Pilling, H. Rothard and G. Strazzulla 2012, A&A 546, 81
Secondary ion emission dynamics of solid ammonia bombarded by heavy ions
R. Martinez, C.R. Ponciano and E.F. da Silveira 2012, European Phys. J. D 66, 251
Radiolysis of astrophysical ices by heavy ion irradiation: Destruction cross section measurement
A. L. F. de Barros, P. Boduch, A. Domaracka, H. Rothard, and E. F. da Silveira 2012, Low Temp. Phys. 38, 759
Evolutionary algorithms applied to elucidate ionic water cluster structure formation
O. V. Neto, M. A. Pacheco, A. Pimentel and E. F. da Silveira 2012, Proc. of the fourteenth international conference on Genetic and
evolutionary computation conference, 1151
2013
Chemical Reactions Induced in Frozen Formic Acid by Heavy Ion Cosmic Rays
D. P. P. Andrade, A. L. F. de Barros, S. Pilling, A. Domaracka, Hermann Rothard, P. Boduch, E. F. da Silveira 2013, MNRAS 430,787
The Influence of Crystallinity Degree on the Glycine Decomposition Induced by 1 MeV Proton Bombardment in Space Analog
Conditions
S. Pilling, L. A. V. Mendes, V. Bordalo, C. F. M. Guaman, C. R. Ponciano, E. F. da Silveira 2013, Astrobiology 13, 79
Comments on Cosmic Ray Research in Brazil
E. F. da Silveira 2013, Proc. of the XXXV Brazilian Workshop on Nuclear Physics, AIP Conference Proceedings series 1529, 10
Radiolysis of methane ice at 15 K by MeV O, Fe and Zn ions
C. F. Mejía, A. L. F. de Barros, V. Bordalo, E. F. da Silveira, P. Boduch, A. Domaracka, and H. Rothard 2013, MNRAS aceito
Chemical Processing of Pure Ammonia and Ammonia-Water Ices Induced by Heavy Ions
V. Bordalo, E. F. da Silveira, X. Y. Lv, A. Domaracka, H. Rothard, E. Seperuelo Duarte, P. Boduch 2013, ApJ submetido