Las moléculas orgánicas complejas con anillos, incluidos los hidrocarburos aromáticos policíclicos, están muy extendidas en el medio interestelar y se consideran bloques de construcción de la química orgánica. El ciclopentadieno fue detectado en la fría nube TMC-1, pero su química no se comprende del todo y faltaban datos precisos de colisiones. Los trabajos vecinos en el archivo tratan sobre helio superfluido en nanocanales, nuevas moléculas en nubes frías, formación de sub-Saturnos, estrellas de gran masa, mediciones precisas de helio-4, firmas de neutrinos de estrellas y nubes moleculares. Este trabajo se distingue: por primera vez proporciona coeficientes de colisión cuánticamente precisos para un anillo de cinco miembros, lo que es necesario para el modelado fuera del equilibrio termodinámico local.
Los autores utilizaron una superficie de energía potencial tridimensional para la interacción C5H6-He, calculada previamente con el método CCSD(T)-F12b y la base aug-cc-pVTZ. La dispersión cuántica se describió con dos métodos: el método exacto de canales acoplados (CC) para niveles con energía inferior a 25 cm⁻¹ y el método aproximado de estados acoplados (CS) para niveles más altos hasta 100 cm⁻¹. Los cálculos abarcaron 222 niveles rotacionales para cada modificación de espín nuclear (orto y para) con números cuánticos rotacionales hasta j=25. Los coeficientes de velocidad se obtuvieron integrando las secciones eficaces sobre la distribución de Maxwell para temperaturas de 10 a 50 K. Para verificar la precisión, se compararon las secciones eficaces CC y CS a diferentes energías.
Se obtuvo un conjunto completo de coeficientes de velocidad para las transiciones entre niveles rotacionales del ciclopentadieno en colisiones con helio. Se encontró una fuerte regla de selección: las transiciones que conservan la proyección kc (Δkc = 0) dominan, con coeficientes de 5 a 10 veces mayores que los de las transiciones que cambian kc. Los valores de los coeficientes no superan (5–6)×10⁻¹¹ cm³/s, lo que es típico para moléculas complejas. Se observa una dependencia negativa con la temperatura: al aumentar la temperatura de 5 a 50 K, los coeficientes disminuyen hasta 5 veces debido al aumento del número de canales disponibles. El modelado de transferencia radiativa en la aproximación LVG para las condiciones de TMC-1 (temperatura de 9 a 10 K, densidad de H2 de aproximadamente 2×10⁴ cm⁻³) mostró que la excitación de prácticamente todos los niveles con energía inferior a 40 K está cerca del equilibrio térmico ya a densidades de aproximadamente 10³ cm⁻³. Esto confirma la aplicabilidad de la aproximación del equilibrio termodinámico local para determinar la abundancia del ciclopentadieno.
Este trabajo utiliza por primera vez coeficientes de colisión cuánticamente precisos para el modelado fuera del equilibrio termodinámico local de una molécula cíclica grande detectada en el medio interestelar. A diferencia de los trabajos vecinos, que estudian otros objetos (helio superfluido, estrellas, neutrinos) o solo proporcionan datos espectroscópicos, aquí se obtienen precisamente los datos dinámicos necesarios para la transferencia radiativa. Esto permite sacar conclusiones generales sobre la termalización de moléculas cíclicas y sienta las bases para futuras investigaciones sobre la excitación colisional de astromoléculas complejas.
El tema puede desarrollarse hacia el cálculo de coeficientes de colisión para derivados cianados del ciclopentadieno, benceno, naftaleno y otros hidrocarburos aromáticos policíclicos detectados en TMC-1. También es posible ampliar el rango de temperaturas y considerar colisiones con hidrógeno molecular en lugar de helio, lo que requeriría cálculos cuánticos más complejos pero aumentaría la precisión de los modelos.
Los resultados afectarán la interpretación de las observaciones de nubes moleculares, especialmente la determinación de abundancias de moléculas orgánicas complejas. También son útiles para los modelos astroquímicos que describen la formación y evolución de la materia orgánica en el medio interestelar.
El siguiente paso podría ser el cálculo de coeficientes de velocidad para colisiones de ciclopentadieno con hidrógeno molecular, así como para sus derivados cianados. También sería útil realizar cálculos similares para otros anillos de cinco miembros detectados en el espacio.
Este trabajo está directamente relacionado con el problema de determinar las abundancias de moléculas orgánicas complejas en nubes frías. Hasta ahora, para la mayoría de estas moléculas faltan datos precisos de colisiones, lo que introduce incertidumbre en los modelos de transferencia radiativa. Este trabajo muestra que para el ciclopentadieno los efectos fuera del equilibrio termodinámico local son pequeños, pero para moléculas con mayor momento dipolar (por ejemplo, derivados cianados) pueden ser significativos, lo que requiere más investigaciones.
El momento dipolar del ciclopentadieno es de solo 0.419 debyes, aproximadamente 10 veces menor que el de su derivado cianado. Debido a esto, el ciclopentadieno se termaliza a densidades de alrededor de 1000 cm⁻³, mientras que para el derivado cianado se necesitaría una densidad 100 veces mayor.