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  High-resolution broadband rotational spectroscopy and electrical discharge experiments of astrochemically relevant molecules

Arenas, B. (2020). High-resolution broadband rotational spectroscopy and electrical discharge experiments of astrochemically relevant molecules (PhD Thesis, Universität Hamburg, Hamburg, 2020).

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THESIS_ARENAS_FINAL_20201202.pdf (Publisher version), 23MB
Name:
THESIS_ARENAS_FINAL_20201202.pdf
Description:
-
Visibility:
Public
MIME-Type / Checksum:
application/pdf / [MD5]
Technical Metadata:
Copyright Date:
2020
Copyright Info:
© B. Arenas

Locators

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Description:
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Creators

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 Creators:
Arenas, B.1, Author              
Affiliations:
1Structure and Dynamics of Cold and Controlled Molecules, Independent Research Groups, Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, Max Planck Society, ou_1938292              

Content

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Free keywords: -
 Abstract: Since the discovery of molecules in the interstellar medium in the 1960s, the quest to fully characterise the chemical inventory of interstellar space has resulted in the detection of over 200 distinct molecules. This has been achieved through the combined efforts of laboratory spectroscopy and observational astronomy. Advances in the field of radio astronomy, in particular with the increased sensitivity, widened frequency bandwidth of operation, and higher angular resolution of facilities such as the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, is producing a high throughput of data of unprecedented quality. In order to analyse this data, and, in turn, to address questions surrounding molecular complexity and chemical evolution in space, there needs to be concurrent progress in the field of high-resolution laboratory spectroscopy. Rotational spectroscopy is a uniquely suited technique for providing data that enables searches for molecules in the interstellar medium. The experimentally recorded transition frequencies, or the line frequencies predicted from the rotational constants derived from spectral analysis, are used to identify molecular species in observational spectra. Rotational spectroscopy is a high-resolution, highly sensitive technique from which structural data about the probed molecules can be obtained. In fact, the fingerprint nature of the technique facilitates the unambiguous conformer- and isotopologue-specific laboratory assignment and interstellar observation of studied molecules. The spectrometers used throughout this work are the Hamburg COMPACT Spectrometer (2-18 GHz), the 18-26 GHz Spectrometer, and a W-band Spectrometer (75-110 GHz) from BrightSpec, Inc. The operating ranges overlap with a number of observational facilities, putting the data presented here at the forefront of experimental astrochemistry and radio astronomy. The necessary laboratory data to perform observational searches for a number of nitrogen- and oxygen-containing astrochemically relevant molecules is delivered in this thesis. The pure rotational spectra of the vibronic ground state of iso-propyl cyanide, the six lowest energy conformers of 1,2-propanediol, two, four, three, and seven ground state conformers of alaninol, valinol, leucinol, and isoleucinol, respectively, and the ground state of imidazole were assigned. The resulting line lists and rotational constants are the most precise descriptions of these molecules available to date, and they can be used for comparison to observational spectra. Further to this, because of the assignment of isotopologues in natural abundance, extensive structural information is obtained for the molecules studied. The room-temperature experiments performed on the W-band spectrometer allowed for the assignment of low-lying vibrationally excited states, which, if detected in the interstellar medium, can act as probes of the region’s physical conditions. The laboratory data has been used to search for some of the studied species to-wards the giant molecular cloud Sagittarius B2. Searches for the vibrational states of iso-propyl cyanide in the Re-exploring Molecular Complexity with ALMAline survey of Sagittarius B2(N2b) revealed the presence of the four lowest energy states ν30, ν29, ν17, and ν16. The detected line profiles could be accurately described using local thermodynamic conditions at 150 K. Imidazole was searched for in the Exploring Molecular Complexity with ALMA observational data set towards Sagittarius B2(N), and the ring structure was not detected towards the region. A search towards the Taurus Molecular Cloud, where the aromatic molecule benzonitrile was previously detected, is suggested. Further, an electrical discharge nozzle was implemented and optimised on theW-band spectrometer. Performing electrical discharge experiments will not only permit the characterisation of reactive species and new molecules, but also allow for the consideration of formation pathways and mechanisms to these molecules from the precursors used. The discharge of acetaldehyde was shown to produce the formyl radical, ketene, propyne, acrolein, and acetone. Mapping the distributions of these species in molecular clouds, something which is possible thanks to the high spatial resolution of observational data sets, can ascertain whether these laboratory determined reaction pathways are relevant for interstellar chemistry. Experimental modifications to promote the detection of products that incorporate functional groups from multiple precursors is also discussed. The data presented in this thesis will enable searches for the studied molecules in the interstellar medium, and in the case of the amino alcohols, this could establish a new class of interstellar molecule. Detections of these molecules will increase the knowledge of the complexity of interstellar space. The simultaneous mapping of the spatial distributions of molecules and their potential precursors, which can be guided by the results of electrical discharge experiments, will contribute to the understanding of the chemistry occurring in these extraterrestrial environments.
 Abstract: Seit der Entdeckung der ersten Moleküle im interstellaren Raum in den 1960er Jahren hat das Bestreben, das chemische Inventar des interstellaren Raums vollständig zu charakterisieren, zum Nachweis von über 200 verschiedenen Molekülen geführt. Dies wurde durch die kombinierten Anstrengungen von Laborspektroskopie und Teleskopbeobachtungen erreicht. Fortschritte auf dem Gebiet der Radioastronomie, insbesondere mit der erhöhten Empfindlichkeit, der erweiterten Frequenzbandbreite und der höheren Winkelauflösung von Einrichtungen wie dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, führen zu einem hohen Datendurchsatz von beispielloser Qualität. Um diese Daten zu analysieren und damit Fragen der molekularen Komplexität und der chemischen Entwicklung im Weltraum zu beantworten, sind gleichzeitig Fortschritte auf dem Gebiet der hochauflösenden Laborspektroskopie erforderlich. Die Rotationsspektroskopie eignet sich hervorragend zur Bereitstellung von Daten, die die Suche nach Molekülen im interstellaren Raum ermöglichen. Die experimentell gewonnenen Übergangsfrequenzen oder die Linienfrequenzen, die aus den experimentell bestimmten Rotationskonstanten vorhergesagt werden, werden zur Identifizierung von Molekülspezies in Spektren aus radioastronomischen Beobachtungen verwendet. Die Rotationsspektroskopie ist eine hochauflösende, hochempfindliche Technik, mit der auch Strukturdaten über die untersuchten Moleküle gewonnen werden können. Tatsächlich erleichtert diese fingerabdruckartige Technologie die eindeutige konformeren- und isotopologenspezifische Identifikation im Labor und nachfolgend die interstellare Beobachtung der untersuchten Moleküle. Die in dieser Arbeit verwendeten Spektrometer sind das Hamburger COMPACT-Spektrometer (2-18 GHz), das 18-26 GHz-Spektrometer und ein W-Band-Spektrometer (75-110 GHz) von BrightSpec, Inc. Die abgedeckten Frequenzbereiche der Spektrometer überlappen mit einer Reihe von Radioteleskopen, so dass die hier vorgestellten Daten für eine Weiterentwicklung der Astrochemie und Radioastronomie von großer Relevanz sind. In dieser Arbeit werden die erforderlichen Labordaten für eine erfolgreiche Suche nach einer Reihe von stickstoff- und sauerstoffhaltigen, astrochemisch relevanten Molekülen geliefert. Es wurden die reinen Rotationsspektren des vibronischen Grundzustandes von iso-Propylcyanid, die sechs niederenergetischen Konformere von 1,2-Propandiol, zwei, vier, drei und sieben Grundzustandskonformere von Alaninol, Valinol, Leucinol bzw. Isoleucinol und der Grundzustand von Imidazol zugeordnet. Die daraus resultierenden Linienlisten und Rotationskonstanten sind die präzisesten Beschreibungen dieser Moleküle, die bisher verfügbar sind, und sie können zum Vergleich mit radioastronomischen Spektren verwendet werden. Darüber hinaus erhält man durch die Zuordnung von Isotopologen in natürlicher Häufigkeit umfangreiche Strukturinformationen für die untersuchten Moleküle. Die mit dem W-Band-Spektrometer durchgeführten Raumtemperaturexperimente erlaubten die Zuordnung tiefliegender schwingungsangeregter Zustände, die, wenn sie im interstellaren Raum detektiert werden, als Sonden für die physikalischen Bedingungen der Region dienen können. Die Labordaten wurden zur Suche nach einigen der untersuchten Moleküle in Richtung der riesigen Molekülwolke Sagittarius B2 verwendet. Die Suche nach den Schwingungszuständen voniso-Propylcyanid in der ”Re-exploring Molecular Complexity with ALMA”-Suche von Sagittarius B2(N2b) ergab das Vorhandensein der vier niedrigsten Schwingungszustände ν30, ν29, ν17, und ν16. Die entdeckten Linienprofile konnten mit Hilfe der lokalen thermodynamischen Bedingungen bei 150K genau beschrieben werden. Nach Imidazol wurde im ”Exploring Molecular Complexity with ALMA”-Beobachtungsdatensatz in Richtung Sagittarius B2(N) gesucht, allerdings konnte diese Ringstruktur bisher nicht nachgewiesen werden. Eine Suche in Richtung der Taurus-Molekülwolke, wo zuvor das aromatische Molekül Benzonitril nachgewiesen wurde, wird vorgeschlagen. Weiterhin wurde eine elektrische Entladungsdüse implementiert und am W-Band-Spektrometer optimiert. Die Durchführung elektrischer Entladungsexperimente wird nicht nur die Charakterisierung reaktiver Spezies und neuer Moleküle, sondern auch die Analyse von Bildungswegen und -mechanismen dieser Moleküle aus den verwendeten Vorläufermolekülen ermöglichen. Es konnte gezeigt werden, dass bei der Entladung von Acetaldehyd das Formylradikal, Keten, Propin, Acrolein und Aceton entstehen. Durch die Kartierung der Verteilungen dieser Spezies in Molekülwolken, die dank der hohen räumlichen Auflösung der Beobachtungsdatensätze heutzutage möglich ist, kann im Prinzip festgestellt werden, ob diese im Labor ermittelten Reaktionswege für die interstellare Chemie relevant sind. Experimentelle Modifikationen für einen verbesserten Nachweis von Produkten, die funktionelle Gruppen aus mehreren Vorläufermolekülen enthalten, werden ebenfalls diskutiert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Daten ermöglichen die Suche nach den untersuchten Molekülen im interstellaren Raum und könnten im Falle der Aminoalkohole eine neue Klasse interstellarer Moleküle etablieren. Der Nachweis dieser Moleküle wird das Wissen über die Komplexität des interstellaren Raums erweitern. Die gleichzeitige Kartierung der räumlichen Verteilung der Moleküle und ihrer potentiellen Vorläufer, die sich an den Ergebnissen von Experimenten mit elektrischen Entladungen orientieren kann, wird zum Verständnis der in diesen extraterrestrischen Umgebungen auftretenden Chemie beitragen.

Details

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Language(s): eng - English
 Dates: 2020-12
 Publication Status: Published online
 Pages: 241
 Publishing info: Hamburg : Universität Hamburg
 Table of Contents: -
 Rev. Type: -
 Identifiers: URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-88997
 Degree: PhD

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