Messung von Wirkungsquerschnitten molekularer Reaktionen von fundamentaler und astrophysikalischer Relevanz

• Antragsteller: Dr. Pierre-Michel Hillenbrand
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 384786976

Ziel dieses Projektes ist ein tieferes Verständnis von dichten Molekülwolken im interstellaren Medium, aus denen Sterne und Planeten entstehen. Dazu ist es notwendig, unser Verständnis der zugrundeliegenden Astrochemie in der Gasphase zu vertiefen. Simulationen der chemischen Entwicklung in der Gasphase für molekulare Wolken stützen sich direkt auf die Kenntnis thermischer Ratenkoeffizienten für die individuellen molekularen Reaktionen. Diese Reaktionen finden typischerweise zwischen einem geladenen und einem neutralen Partner statt, da die niedrigen Temperaturen von molekularen Wolken meist nicht ausreichen, um den Potentialwall von Reaktionen zwischen neutralen Partnern zu überwinden. Theoretische Modelle für astrophysikalisch relevante molekulare Reaktionen können leicht Unsicherheiten von einem Faktor zwei oder mehr erreichen, so dass präzise experimentelle Messungen von Ratenkoeffizienten für zentrale Reaktionen signifikant die Belastbarkeit der Simulationen von Molekülwolken verbessern können.Im Rahmen des Projektes werde ich experimentell eine der zentralen Reaktionen mit Deuterium untersuchen, deren Unsicherheit gegenwärtig unsere Möglichkeiten begrenzt, verlässlich die Entwicklung von Sternen in dichten Molekülwolken zu modellieren und zu analysieren. Das Experiment werde ich an der Apparatur für überlagerte Strahlen in der Gruppe von Dr. Daniel Savin an der Columbia Universität in New York City durchführen. Die Anlage ist gegenwärtig die einzige weltweit, an der sich die Messung der anvisierten Reaktion durchführen lässt. Hier können molekulare Reaktionen zwischen positiv geladenen Molekülen und neutralen Atomen als Funktion der relativen Stoßgeschwindigkeit untersucht werden. Durch die Technik, zwei schnelle Strahlen mit geringer relativer Geschwindigkeit zu überlagern, können die niedrigen Temperaturen reproduziert werden, welche relevant sind für Reaktionen in kalten Molekülwolken. Durch Messung der Intensitäten der beiden Strahlen und durch Zählen der Reaktionsprodukte wird der absolute Betrag des Ratenkoeffizienten überlagerter Strahlen als Funktion der relativen Stoßgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit bestimmt. Konkret werde ich den Ratenkoeffizienten überlagerter Strahlen in der Reaktion D + H3+ -> H2D+ + H im Bereich der relativen Stoßenergien von 3.5 meV bis 20 eV messen. Durch Faltung mit einer Maxwell-Boltzmann-Verteilung ergibt sich aus den Daten der thermische Ratenkoeffizient. Implikationen der Ergebnisse auf astrophysikalische Modelle werden analysiert.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Daniel Wolf Savin