Reattività del carburo di silicio nel mezzo interstellare

The space between the stars is not empty but is characterized by a very diluted gas: interstellar medium (ISM). The ISM, composed of gas and dust, has temperatures ranging from 10 K to 106 K and densities between 10-4 particles/cm-3 and more than 108 particles/cm-3. Areas with higher densities and lower temperatures of the gas are called interstellar clouds; from an astronomical point of view, these are particularly important because they are the molecular clouds from which stars and planets are born. It is not easy to understand the formation of molecules under typical molecular cloud conditions, with densities of 104 particles/cm-3 and temperatures of 10 K. However, the detection of almost 180 distinct species in the last 45 years (excluding isotopes) demonstrates the opposite: there is high reactivity in space, despite the low temperatures. Molecules, such as CO, H2O, and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs), have been detected in very distant galaxies. This study investigates the reactivity of silicon carbide (SiC), which has been observed by Chernicharo in 1989 in the outflow of the carbon-rich asymptotic giant branch (AGB) star IRC+10°216. This molecule has only been found in the CSE of this specific star, in regions where the temperature is particularly low. It was detected by an emission at 11.3 µM, a characteristic signal of the stretching of the Si-C bond in the cluster of the condensed molecule; therefore, it was expected to be observed in the ISM for two main reasons: the first is that, generally, carbon-rich stars are believed to inject a considerable amount of dust into the ISM; secondly, the identification of pre-solar SiC grains of stellar origin has occurred in primitive meteorites such as the Murchison CM2 meteorite, a carbonaceous chondrite formed 4.6 billion years ago and has not changed its composition. However, the 11.3 µM emission has never been observed in the ISM. In this thesis, we discuss a computational study of the SiC molecule and its reactivity to model the reaction mechanisms that can explain the destruction of SiC grains in the ISM. The initial part is focused on a benchmark based on some hypothetical reactions involving SiC, calculated with Gaussian16 and with different methods, in order to find a satisfactory and computationally economical calculation method and basis set to perform the reactivity calculations on the SiC clusters, which characterize the second part of the work. The latter is based on the study of the reactivity of SiC clusters with oxygen and hydrogen, both atomic and molecular, due to their high abundance in the ISM. Oxidation is certainly one of the mechanisms followed by SiC dust grains, and the main question is whether this is sufficient to justify the absence of grains in the interstellar medium. Finally, the kinetics of the reaction mechanisms is studied, adapting the conditions to those occurring in the ISM or in the CSE of an AGB star. Interstellar environments, particularly the ISM, are environments with extremely low densities and pressures, which make the thermalization of the system by shocks impossible. For this reason, RRKM kinetic studies are considered, in order to obtain product distributions and kinetics that are more consistent with the experimental conditions found in the ISM.

Lo spazio tra le stelle non è vuoto ma è caratterizzato da un gas molto diluito: il mezzo interstellare (ISM). L'ISM, composto da gas e polvere, ha temperature che vanno da 10 K a 106 K e densità tra 10-4 particelle/cm-3 e oltre 108 particelle/cm-3. Le aree con densità più elevate e temperature più basse del gas sono chiamate nubi interstellari; da un punto di vista astronomico, queste sono particolarmente importanti perché sono le nubi molecolari da cui nascono stelle e pianeti. Non è facile comprendere la formazione delle molecole nelle condizioni tipiche delle nubi molecolari, con densità di 104 particelle/cm-3 e temperature di 10 K. Tuttavia, la rilevazione di quasi 180 specie distinte negli ultimi 45 anni (esclusi gli isotopi) dimostra il contrario: c'è un'elevata reattività nello spazio, nonostante le basse temperature. Molecole come CO, H2O e idrocarburi policiclici aromatici (IPA) sono state rilevate in galassie molto distanti. Questo studio esamina la reattività del carburo di silicio (SiC), che è stato osservato da Chernicharo nel 1989 con l’emissione della stella carboniosa del ramo asintotico delle giganti (AGB) IRC+10°216. Questa molecola è stata trovata solo nel CSE di questa specifica stella, in regioni dove la temperatura è particolarmente bassa. È stata rilevata da un'emissione a 11.3 µM, un segnale caratteristico dello stretching del legame Si-C nel cluster della molecola condensata; pertanto, ci si aspettava che fosse osservata nell'ISM per due motivi principali: il primo è che, in genere, si ritiene che le stelle ricche di carbonio iniettino una notevole quantità di polvere nell'ISM; in secondo luogo, l'identificazione di grani di SiC pre-solari di origine stellare è avvenuta in meteoriti primitivi come il meteorite Murchison CM2, una condrite carbonacea formatasi 4,6 miliardi di anni fa e che non ha cambiato la sua composizione. Tuttavia, l'emissione di 11.3 µM non è mai stata osservata nell'ISM. In questa tesi, si discute uno studio computazionale della molecola di SiC e della sua reattività per modellare i meccanismi di reazione che possono spiegare la distruzione dei grani di SiC nell'ISM. La parte iniziale è focalizzata su un benchmark basato su alcune reazioni ipotetiche che coinvolgono il SiC, calcolate con Gaussian16 e con metodi diversi, al fine di trovare un metodo di calcolo soddisfacente e computazionalmente economico e un basis set per eseguire i calcoli di reattività sui cluster di SiC, che caratterizzano la seconda parte del lavoro. Quest'ultima si basa sullo studio della reattività dei cluster di SiC con ossigeno e idrogeno, sia atomici che molecolari, a causa della loro elevata abbondanza nell'ISM. L'ossidazione è certamente uno dei meccanismi seguiti dai grani di polvere di SiC; la questione principale è se questa sia sufficiente a giustificare l'assenza di grani nel mezzo interstellare. Infine, viene studiata la cinetica dei meccanismi di reazione, adattando le condizioni a quelle che si verificano nell'ISM o nel CSE di una stella AGB. Gli ambienti interstellari, in particolare l'ISM, sono ambienti con densità e pressioni estremamente basse, che rendono impossibile la termalizzazione del sistema tramite shock. Per questo motivo, vengono considerati studi cinetici RRKM per ottenere la distribuzione dei prodotti e cinetiche più coerenti con le condizioni sperimentali riscontrate nell'ISM.