Molekulen hatz-markak

Jon Mattin Matxain

Duela hilabete batzuk HAT-P-11b izena duen planetaren atmosferan ur lurruna dagoela ikusi zuten zientzialari batzuek, eta Nature aldizkarian plazaratu zituzten beren emaitzak [1]. Exoplaneta honek (gure eguzki-sistemaren kanpo dagoen planeta honek) Neptunoren antzeko tamaina du, eta arras urruti dago, 120 argi-urtera (10 bilioi km inguru) gutxi gorabehera. Garbi dago, bertara ezin dugu zunda bat bidali, bertako atmosferaren osagaiak zeintzuk diren zehazteko. Hortaz, nola demontre jakiten ahal da hain urrun dauden planeten atmosferan zer nolako molekulak dauden? Kontutan hartu behar da hau ez dela atmosferako osagaiak identifikatu dituzten lehenengo exoplaneta. Artikulu honetan itaun hau ihardesten saiatuko gara.

Zorionez, guregana heltzen da exoplaneta hauen atmosferan dauden molekulak zeintzuk diren argitzeko behar den informazioa, ez gara bertara joan behar. Informazio hau argi moduan, (erradiazio elektromagnetiko moduan, alegia) heltzen zaigu. Argia espazioko zonalde desberdinetatik heltzen zaigunez, analizatu behar den argia ez da guztia, zonalde jakin batetik heltzen zaiguna baizik. Zehazki, gure planetak orbitatzen duen izarraren argia harrapatu behar dugu, planetaren atmosferatik igarotzen den argia, alegia. Hori egiteko, ikertzaileek Hubble, Spitzer eta Keppler teleskopioak erabili zituzten. Teleskopio hauek Lurra orbitatzen dute, eta horrela harrapatzen duten argiak ez du Lurraren atmosferarekin elkarrekintzarik jasaten. Baina honekin jarraitu aurretik, izarrek igortzen duten argia nolakoa den ikusiko dugu.

Izarrek irradiatzen duten argia beraien tenperaturaren araberakoa da, beste edozein gorputz bero bezala [2]. Goian, 2. irudian ikus daitekeen moduan, argiaren espektroa jarraia da. Hau da, argiak edozein energia izan dezake. Hau horrela, espektroa energiaren arabera eremu desberdinetan banatzen da. Energia gutxieneko eremua irrati frekuentziei dagokie, eta energia handienekoa gamma-izpiei. Tartean mikrouhinak (MU), infragorriak (IG), ultramoreak (UM) eta abar daude. Horrela, edozein izarretatik zuzenki heltzen zaigun argia analizatzen badugu, energia eremu guztietako argia dagoela ikusiko genuke (2. irudiaren antzera). Planetatik igarotzean, ordea, atmosferako molekulek argi-izpi jakin batzuk absorbatzen dituzte. Horrela, argi hori analizatzen badugu, energia jakin batzuei dagokien erradiazioa falta dela ikusiko genuke. Adibide gisa (eta sakonki azaldu gabe), 3. irudian karbono monoxidoaren molekulak giro tenperaturan infragorrian (IG) absorbatzen duen erradiazioa dugu. Bertze hitzetan, molekulek erradiazio espektroan bere marka utzi dutela ikus daiteke. Molekula bakoitzak marka desberdina uzten du, eta horrela, jakin dezakegu zein molekula dauden gure exoplaneten atmosferan.

Baina, zer dela eta uzten dituzte molekulek marka hauek? Eta zergatik dira desberdinak molekulen arabera? Hau ulertzeko, molekulen izaera kuantikoari egin behar diogu so. Zehazki, molekulen energiari. Laburbilduta eta zehaztapen anitzetan sartu gabe, molekulen energia lau ekarpenen batura bezala uler daiteke lehenengo hurbilketa batean: energia translazionala, bibrazionala, errotazionala eta elektronikoa.

Lehenengo hirurak nukleoen mugimenduei lotuta daude, eta azkenekoa elektroien mugimenduari. Formulan ikusgai diren azken hiru ekarpenak kuantizatuta daude, hau da, energia hauek ezin dira edozein izan, eta balore jakin batzuk besterik ezin dute izan. Hau hobekiago ulertzeko, analogia bat erabiliko dugu: eskaloiak eta malda (ikusi 4. irudia).

Goiko irudian, behetik gora igotzeko bi aukera dugu, eskailerak igotzea, ala malda erabiltzea. Azken honetan oinak edozein alturatan paratzen ahal ditugu. Eskaileretatik igota, ordea, nahita nahiez eskaloietan jarri behar ditugu oinak. Bertze hitzetan, eskaileretan altuera kuantizatuta dago. Era berean, molekulen energia elektronikoa, bibrazionala eta errotazionala kuantizatuta daude, 5. irudian azaltzen den moduan.

Azter dezagun zehaztapen handiagoz goiko irudia. Ezkerraldean, energia maila elektronikoak irudikatuta daude. Agertzen den moduan, orokorrean lehenengo maila (eskaloia) oso baxu dago, bertzeekin konparatuta. Giro tenperaturan (25 C) molekula guztiak egoera honetan daudela onar dezakegu (100%). Molekulek, goiko mailetara igotzeko energia behar dute, eta energia hori argia harrapatuz lortzen dute. Goiko eskaloiak nahikoa altu daudenez, energia dexente harrapatu beharko dute molekulek. Orokorrean (ez beti) maila elektroniko batetik bertze batera jauzi egiteko, molekulek ultramoreari (UM) dagokion argia harrapatu behar dute. Era berean, maila bibrazionalei so egiten badiegu, tarteak txikiagoak direla ikus daiteke. Maila bibrazional batetik bestera jauzi egiteko, molekulek infragorriari (IG) dagokion argia harrapatu behar dute. Bukatzeko, maila errotazionalen artean dagoen energia diferentzia hare eta txikiagoa da. Kasu honetan, maila batetik bertzera mugitzeko, molekulek behar duten energia mikrouhinetan dago (MU).

Molekulen arabera, energia mailen artean dauden saltoak desberdinak dira, eta hori dela eta argi desberdina harrapatzen dute. Horregatik, molekula mota bakoitzak aztarna desberdina uzten du, bai eremu ultramorean, bai infragorrian, bai mikrouhinetan. Eremu hauei so eginez, exoplaneta baten atmosferan zein molekulak dauden ikus daiteke.

Mailen artean saltoak gertatzeko bete beharreko baldintzak zeintzuk diren eta tenperaturaren eragina zein den ez dugu aztertu, baina hauek kontutan hartuta, goiko azalpenen funtsa ez dute aldatzen. Ikusten ahal den moduan, Unibertso zabalaren ezaugarri batzuk ezagutzeko, “handiari” begiratu ordez, “txikiari” egin behar diogu so, arraroa dirudien arren.

Erreferentziak

[1] Fraine, J., Deming, D., Benneke, B., Knutson, H., Jordán, A., Espinoza, N., Madhusudhan, N., Wilkins, A., y Todorov, K. (2014). “Water vapour absorption in the clear atmosphere of a Neptune-sized exoplanet”. Nature, 513, 526-529. http://dx.doi.org/10.1038/nature13785.

[2] http://kimikakuantikoa.blogspot.com.es/2012/12/argiaren-natura.html

Egileaz: Jon Mattin Matxain (@TxoniMatxain), EHUko Kimika Fakultateko eta Donostia International Physics Center DIPCko ikertzailea da, eta “Nola ikasi kimika kuantikoa izutu gabe” blogaren egilea.

“Sarrera honek #KulturaZientifikoa 3. Jaialdian parte hartzen du.”