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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)

NH3 Cosmic rays and

UV photons

Ice mantles

No Meio Interestelar…

SN, SNR, BH…

Gelos interestelares - Spitzer Legacy

Öberg et al. (2011)

Gelos interestelares - Spitzer Legacy

Öberg et al. (2011)

YSOs

29% 29%

3% 5% 5%

0.3%

13% 13%

4%

5% 2%

0.6%

Gelos interestelares - Spitzer Legacy

Öberg et al. (2011)

(polar ice) (apolar ice)

CO2 (15.2 mm, bend. mode)

Bergin et al. 2005, ApJ, 627, L33

Elias 16

H2O: CO2 polar ice (100:14, 10K)

CO:CO2 apolar ice (100:26, 10K)

best fit

Gelos interestelares - Spitzer Legacy

Gelos no Sistema Solar - Hartley 2

Mumma et al. 2011, ApJ, 734, L7 Meech et al. 2011, ApJ, 734, L1

Moléculas : H2O, CO2, HCN, CH4, C2H6, CH3OH, C2H2, H2CO, e NH3

Radicais: OH, e NH2

103P/Hartley 2 q= 1.05 AU Q = 5.88 AU per. orb. = 6.47 anos

Imagem: EPOXI

Gelos no Sistema Solar - Hartley 2

Mumma et al. 2011, ApJ, 734, L7

Gelos no Sistema Solar - Europa

Johnson et al. 2004

Espectro Galileo/NIMS (Europa)

Gelos no Sistema Solar - Calisto

Johnson et al. 2004

? ?

Espectro Galileo/NIMS (Calisto)

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.

• erosão (sputtering) de superfícies

• propriedades ópticas

• processamento químico e térmico

• emissão de íons secundários (sputtering) PDMS (FF 252Cf + TOF)

FTIR

QMS ou TOF

QMS

Mecanismos e técnicas

FTIR

Primeiros trabalhos: emissão de íons secundários de gelos (PDMS/FF 252Cf + TOF)

Farenzena et al. 2005, EMP 97, 311

(H2O)nH3O+

(H2O)nOH-

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)

Bordalo et al. em prep.

Aerosóis em Titã

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

energetic ions

before after

thin ice sample

Cold substrate

(CsI or KBr)

Metodologia

before

ex: IR spectroscopy (FTIR) Cold substrate

(CsI or KBr)

Metodologia

Metodologia

Metodologia

Metodologia

Trabalhos selecionados: irradiação de gelos de CO2 (FTIR)

Seperuelo Duarte et al. 2009, A&A 502, 599

Principais produtos: CO, CO3, O3 e C3

46 MeV 58Ni11+ / gelo C18O2

Trabalhos selecionados: irradiação de gelos de CO (FTIR)

Seperuelo Duarte et al. 2010, A&A 512, 71

50 MeV 58Ni13+ e 537 MeV 64Ni24+ / gelo C18O

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]

eS

1 SFD

G;

F

Trabalhos selecionados: irradiação de gelos de CO (FTIR)

Seperuelo Duarte et al. 2010, A&A 512, 71

50 MeV 58Ni13+ e 537 MeV 64Ni24+ / gelo C18O

Hipótese de Léger et al. 1985, A&A 144, 147

• 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

220 MeV 16O7+ / CH4

Trabalhos selecionados: radiólise de gelos

de Barros et al. 2011, A&A 531, 160

de Barros et al. 2011, MNRAS 418, 1363

ARIBE/GANIL/França 16 MeV 16O5+ 220 MeV 16O7+

606 MeV 65Zn20+

774 MeV 86Kr31+

Trabalhos selecionados: radiólise de gelos

gelo CH3OH (metanol, 15 K)

ARIBE/GANIL/França

Trabalhos selecionados: radiólise de gelos

Processamento de gelo CH3OH (15 K) por ions pesados

de Barros et al. 2011, MNRAS 418, 1363

Trabalhos selecionados: Implantação de íons

30 keV 13Cq+ (q=2,3) em gelo H2O (15 e 80 K) Resultados: - rendimentos (yields) dos produtos da implantação: 13CO2

ARIBE/GANIL/França

Lv et al. 2012, A&A 546, 81

Lv et al. 2012, A&A 546, 81

ARIBE/GANIL/França 30 keV 13Cq+ (q=2,3) em gelo H2O (15 e 80 K) yield = 0.32-0.57 molec ion-1

Trabalhos selecionados: Implantação de íons

Andrade et al. 2013, MNRAS 430, 787

ARIBE/GANIL/França 267 MeV 56Fe22+ / gelo HCOOH (ácido fórmico, 15 K) Principais produtos: CO, CO2 e H2O

Trabalhos selecionados: radiólise de gelos

Andrade et al. 2013, MNRAS 430, 787

ARIBE/GANIL/França 267 MeV 56Fe22+ / gelo HCOOH (ácido fórmico, 15 K)

Lei de potência: d Sen

Trabalhos selecionados: radiólise de gelos

Bordalo et al. 2013, ApJ submetido

ARIBE/GANIL/França

Trabalhos selecionados: radiólise de gelos

536 MeV 16Ni24+ 606 MeV 70O26+ / NH3 puro

NH3 puro NH3:H2O (1:1) NH3:H2O (1:10) Experimentos

ARIBE/GANIL/França

Trabalhos selecionados: radiólise de gelos

536 MeV 16Ni24+ 606 MeV 70O26+ / NH3 puro

NH3 puro NH3:H2O (1:1) NH3:H2O (1:10)

Bordalo et al. 2013, ApJ submetido

Trabalhos selecionados: sobrevivência de aminoácidos (glicina)

Pilling et al. 2013, Astrobiology 13, 79

1 MeV H+ / glicina (VDG/PUC-Rio)

Trabalhos selecionados: sobrevivência de aminoácidos (glicina)

Pilling et al. 2013, Astrobiology 13, 79

1 MeV H+ / glicina (VDG/PUC-Rio)

b-glicina é a mais resistente e possivelmente aquela que levaria a formação de peptídeos

Estado atual da pesquisa (FTIR)

• Acumulo de conhecimento sobre os principais produtos da radiólise de gases condensados e misturas:

CO CO2 CH4 CH3OH HCOOH NH3 H2O

H2O+CO2 H2O+CO+NH3 H2O+NH3

alvos agentes ionizantes

50 MeV Ni 536 MeV Ni 606 MeV Zn 6 MeV O 220 MeV O 267 MeV Fe

• 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