Resumen de Contenido molecular en la región de fotodisociación de la Barra de Orión
Las regiones de fotodisociación (PDRs, Photodissociation Regions), son las zonas de transición entre el gas caliente atómico e ionizado iluminado por campos de radiación UV, y el gas frío y neutro (moléculas en su mayoría) protegido de la radiación. En estas regiones, la radiación FUV incidente (Far-UV; fotones con energías entre 6 eV < hν < 13.6 eV emitidos por estrellas masivas tipo O y B) condiciona fuertemente el estado fisicoquímico del gas y del polvo. Las PDRs son extremadamente importantes para la comprensión del medio interestelar y circunestelar ya que en ellas tiene lugar la transición entre el gas atómico y molecular (transiciones H/H2 y C+/C/CO). Con esta definición general, las PDRs contienen hasta un 90% del gas neutro de una galaxia e incluyen objetos como las nubes difusas interestelares, las interfases entre las regiones HII y las nubes moleculares densas, las nebulosas planetarias alrededor de estrellas evolucionadas, etc. Todos estos ambientes presentan una química particular inducida por una activa fotoquímica, y comparten características comunes en el sentido de que su física (cinemática, termodinámica) y su química (disociación e ionización del gas, fotoprocesamiento del polvo) están determinadas por la presencia de radiación FUV.
En las regiones de formación de estrellas masivas, las PDRs trazan la transición entre el gas caliente ionizado por el intenso campo UV estelar (las regiones HII) y el gas frío de la nube molecular parental. Los procesos físicos y químicos que tienen lugar en las PDRs permiten estudiar la interacción de las estrellas masivas con el medio que las rodea, y por lo tanto, son necesarios para comprender la evolución del medio interestelar de nuestra galaxia y de los objetos más distantes. El Complejo de Orión alberga la región de formación de estrellas masivas más cercana (~414 pc), y es una región muy apropiada para estudiar, en alta resolución espacial, los efectos de la radiación FUV sobre el medio interestelar circundante. La PDR conocida como la Barra de Orión es la interfase entre la nube molecular OMC-1 (el emplazamiento de una de las regiones de formación de estrellas masivas más estudiadas de la galaxia) y la región HII alrededor del cúmulo del Trapecio. Las estrellas del Trapecio iluminan la Barra de Orión con un campo de radiación FUV aproximadamente 10000 veces mayor que el campo interestelar medio, proporcionando a la región unas propiedades físicas y químicas características y convirtiéndola en un excelente laboratorio para investigar y establecer los límites de la complejidad química en entornos irradiados. La Barra de Orión es un referente para la comprensión de la emisión molecular de otras PDRs mucho más lejanas y tenues (como las galaxias con brotes de formación estelar) o no resueltas espacialmente (como los discos protoplanetarios irradiados, conocidos como proplyds).
En esta tesis doctoral se presenta un estudio detallado de la Barra de Orión con el principal objetivo de establecer las condiciones fisicoquímicas, el contenido molecular y los procesos químicos dominantes en PDRs altamente irradiadas. Para ello se ha realizado, analizado e interpretado el primer barrido espectral a 3 mm (80 - 118 GHz), 2 mm (128 - 176 GHz), 1 mm (202 - 305 GHz) y 0.8 mm (328 - 359 GHz) del frente de disociación de la Barra de Orión (i.e. el borde irradiado y caliente de la PDR) utilizando el radiotelescopio IRAM-30m. Se han identificado más de 850 líneas pertenecientes a las transiciones rotacionales de ~60 especies moleculares con hasta siete átomos, de las cuales destacan los iones reactivos (e.g. SH+, HOC+ y CO+), hidrocarburos (C2H, l-C3H, l-C3H+, c-C3H, C4H, c-C3H2 y l-H2C3) y moléculas orgánicas complejas (e.g. CH3OH, CH3CN y CH3CHO) que muestran la riqueza química de la región. También se han detectado isotopómeros (e.g. 13CCH y C13CH), isómeros estructurales (HCN/HNC y HCO+/HOC+) y confórmeros (cis- y trans-HCOOH). Además, se han realizado cartografiados de líneas rotacionales excitadas a 0.8 mm con una resolución angular de ~7”, también con el radiotelescopio IRAM-30m, con el objetivo de situar la posición observada del frente de disociación en el contexto de la emisión a gran escala de la Barra y estudiar la estratificación química. Mediante observaciones realizadas con el interferómetro ALMA se han obtenido las primeras imágenes espectrales en alta resolución angular (~1”) para estudiar la morfología y actividad en el borde iluminado de la Barra de Orión.
Los principales resultados de esta tesis incluyen: (i) La primera detección de líneas de emisión del ion reactivo SH+ desde un observatorio terrestre (con observaciones de IRAM-30m y ALMA) y la corrección de las frecuencias de línea y de sus constantes espectroscópicas (Müller et al. 2014, A&A). (ii) El estudio detallado de la abundancia, distribución espacial y condiciones de excitación de hidrocarburos (Cuadrado et al. 2015, A&A) y moléculas orgánicas complejas (Cuadrado et al. 2017, A&A), revelando el grado de complejidad química alcanzado en una región irradiada por campos de radiación FUV intensos. (iii) La detección de una nueva especie en el medio interestelar, el confórmero cis-HCOOH, y la interpretación de su proceso de formación como un mecanismo de fotoisomerización (Cuadrado et al. 2016, A&A). (iv) La obtención de las primeras imágenes en alta resolución angular de la emisión de los iones reactivos SH+, HOC+ y SO+ en el medio interestelar (utilizando el interferómetro ACA-ALMA). Se ha estudiado detalladamente la abundancia, distribución espacial y procesos de formación/destrucción y excitación de estas especies en la Barra de Orión. En particular, las imágenes resuelven un estrecho filamento de emisión de SH+ y HOC+ en el borde de la región de fotodisociación delineando la emisión de hidrógeno molecular vibracionalmente excitado (Goicoechea, Cuadrado et al. 2017, A&A). (v) La obtención de las primeras imágenes espectrales con el interferómetro ALMA de la Barra de Orión con una resolución angular de ~1” (Goicoechea, Pety, Cuadrado et al. 2016, Nature). Las imágenes revelan subestructuras de alta densidad, inestabilidades y flujos de gas que se fotoevaporan en el extremo irradiado de la nube molecular. Las zonas de transición H/H2 y C+/C/CO están mucho más cerca entre sí que las predicciones de los modelos de PDR estacionarios que han estado vigentes los últimos 30 años. Los resultados sugieren que el borde de la nube ha sido comprimido por una onda de alta presión que se está moviendo hacia la nube molecular, demostrando que los efectos dinámicos y de no equilibrio son importantes para la evolución de la nube.
