Luz infravermelha da nebulosa Orion capturada pela câmera infravermelha do Telescópio Espacial Spitzer. A poeira aquecida pela luz das estrelas emite principalmente nos comprimentos de onda de 8 e 5,8 mícrons (vermelho e laranja). Crédito:NASA / JPL-Caltech.
Um novo estudo em Cartas de revisão física revela que a série de picos de banda infravermelha (IR), conhecido coletivamente como a emissão IR cósmica não identificada, surge como consequência do comportamento ondulatório dos elétrons deslocalizados em compostos de hidrocarbonetos. Um aspecto essencial desses compostos é que eles passam por transformações estruturais desencadeadas pela absorção da luz das estrelas. Essas transformações descritas como defeitos afetam o movimento de onda de elétrons deslocalizados, isso é, elétrons que se movem livremente através de várias ligações carbono-carbono em hidrocarbonetos do tipo aromático. O estudo sugere que as características espectrais da emissão cósmica são explicadas integralmente pela descrição do movimento de elétrons deslocalizados em torno de defeitos estruturais. Este resultado oferece uma estrutura física capaz de explicar uma ampla gama de detalhes espectrais observacionais nesta edição científica de longa data.
Um fenômeno cósmico muito debatido associado à poeira estelar é a ocorrência universal de características de pico de emissão infravermelha, conhecidos coletivamente como bandas de emissão infravermelha não identificada (UIE). Por décadas, esta emissão cósmica foi explicada com base em moléculas planares de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PAH) flutuando livremente no espaço. Contudo, evidências crescentes apóiam a ideia de que ele se origina na mesma poeira estelar, hidrocarbonetos amorfos amostrados em meteoritos. Ainda assim, muitas perguntas permanecem. Em particular, os pesquisadores se perguntam qual é a estrutura química média dos compostos de poeira estelar responsável por esse fenômeno. É possível explicar as características espectrais observadas com base em tal estrutura?
No espaço, compostos são pensados para conter carbono aromático na forma de anéis hexagonais fundidos, que se assemelham a unidades de arame. Essas unidades aromáticas aquecem ao absorver a luz das estrelas, e subsequentemente resfriado por emissão infravermelha em energias correspondentes às frequências nas quais as ligações de carbono aromáticas vibram. Além disso, a absorção da luz das estrelas também pode desencadear mudanças estruturais (fotoquímicas) nas quais os anéis hexagonais adotam outras geometrias consideradas como anéis defeituosos.
Esquema estrutural do composto de hidrocarboneto desordenado com aromáticos defeituosos responsáveis pela emissão cósmica de infravermelho não identificada. Crédito:Cartas de Revisão Física
O novo estudo baseado na teoria do funcional da densidade mostra que as oscilações eletrônicas deslocalizadas aumentam as vibrações das ligações de carbono aromáticas. Este efeito é capaz de explicar as variações do fluxo de banda da emissão cósmica, e surge graças à natureza ondulatória dos elétrons. Notavelmente, descobriu-se ainda que a inclusão de defeitos nas unidades aromáticas influencia a oscilação da onda de elétrons deslocalizada de maneiras que sintonizam as frequências de emissão em faixas espectrais que se assemelham aos padrões de banda observados. Por muito tempo, estruturas planas simples, como PAHs, foram tomadas como a origem da emissão, mas esta atribuição não fornece nenhum entendimento sobre a forma como esses padrões de banda emergem. Agora, porque os defeitos são um resultado natural do processamento da luz das estrelas da poeira no espaço, este resultado oferece uma estrutura física coerente que pode ser responsável por uma gama completa de características de padrão espectral da emissão cósmica à medida que a estrutura química dos compostos se transforma.
Este estudo fornece uma visão fundamental sobre a estrutura química dos compostos implicados. A oscilação da onda de elétrons deslocalizada (e, portanto, a emissão cósmica) depende fortemente da geometria da borda estrutural das unidades aromáticas. Isso impõe restrições estritas à estrutura química, dado que as bandas observadas parecem bastante semelhantes, independentemente do tipo de fonte astrofísica. Para explicar essa semelhança, o estudo discute que unidades aromáticas, independentemente de suas bordas, deve existir sob confinamento por um meio desordenado feito de cadeias de hidrocarbonetos saturados (alifáticos), o que pode cancelar o movimento da onda eletrônica nos limites da borda (devido às interferências das ondas). Isso fornece um mecanismo compatível capaz de explicar a regularidade da banda de emissão observada. Como consequência, isso implica que os compostos responsáveis pela emissão cósmica são estruturas amorfas que consistem em um arranjo entrelaçado desordenado de aromáticos e alifáticos de acordo com a interpretação da poeira estelar.
