Deuteration of complex organic molecules in the early phases of star formation

Riedel, Wiebke (2026): Deuteration of complex organic molecules in the early phases of star formation. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Where do we come from? How was life created? Those are questions humankind has always wondered. First, they were mostly answered by mythology and religion. With the advancements of the natural sciences in the last centuries, however, more and more insights from the fields of astronomy, chemistry and biology emerged. Astrochemistry and astrobiology are right at the intersection of all of those disciplines. Complex organic molecules (COMs), molecules made up of six or more atoms, at least one of which is a carbon atom, are commonly considered to be the precursors of biologically relevant molecules as e.g. proteins, lipids and amino acids. It was previously believed that the cold conditions prevailing in the pre-stellar core phase, the earliest stage of star formation, would restrict the degree of chemical complexity to simpler molecular species. However, in the last decade, several observational surveys reported the existence of O-bearing COMs in multiple pre-stellar cores. Nowadays, it is generally accepted that methanol, the simplest of the O-bearing COMs, is produced almost exclusively by successive hydrogenation of CO on the surface of dust grains. The formation mechanisms of most other COMs, however, still remain a field of open debate. Are they formed on the surface of dust grains or in the gas phase? If they formed on grains, how are reactions between two heavy, immobile reaction partners in the extremely low temperatures of pre-stellar cores possible and by which mechanism are they released into the gas phase, where they become observable? The projects presented in this thesis touch all of these questions and try to provide better constraints by linking them to the topic of deuteration. In the first project, I use the gas-grain chemical code pyRate to derive column density profiles for methanol (CH3OH) and its singly deuterated isotopologue (CH2DOH) of the prototypical pre-stellar core L1544. I introduce an experiment-based treatment of reactive desorption into pyRate, that derives an individual reactive desorption efficiency, depending on the reaction enthalpy and surface coverage of the dust grain. This work proposes an extension of the existing recipe to consider the mass-dependent partitioning of the reaction enthalpy for a two-product reaction. In the second project, I update pyRate with multiple non-diffusive reaction mechanisms, that rely on the (small) probability that both reaction partners are formed in close proximity to each other. These include Eley-Rideal reactions, photodissociation-induced reactions and three-body reactions. Initially, I investigate their influence on the formation and deuteration of methanol. In the third project, however, I extend the chemical network from species with seven atoms to nine atoms, making it possible to calculate the formation and deuteration of larger COMs. Here, I focus on three O-bearing COMs: acetaldehyde (CH3CHO), methyl formate (CH3OCHO) and glycoaldehyde (CH2OCHO), for which observational constraints of multiple deuterated isotopologues from the protostellar stage exist.

Abstract

Woher kommen wir? Wie entstand das Leben? Das sind Fragen, die sich die Menschheit schon immer gestellt hat. Zunächst wurden sie vor allem durch Mythologie und Religion beantwortet. Mit den Fortschritten der Naturwissenschaften in den letzten Jahrhunderten entstanden jedoch immer mehr Erkenntnisse aus den Bereichen Astronomie, Chemie und Biologie. Astrochemie und Astrobiologie liegen genau an der Schnittstelle all dieser Disziplinen. Komplexe organische Moleküle, die aus sechs oder mehr Atomen bestehen, von denen mindestens eines ein Kohlenstoffatom ist, gelten allgemein als Vorstufe biologisch relevanter Moleküle wie z.B. Eiweiße, Fette und Aminosäuren. Früher glaubte man, dass die kalten Bedingungen, die in der Phase des prästellaren Kerns, dem frühesten Stadium der Sternentstehung, herrschen, den Grad der chemischen Komplexität auf einfachere Molekülarten beschränken würden. In der letzten Dekade meldeten jedoch mehrere Beobachtungsstudien die Existenz sauerstoffhaltiger komplexer organischer Moleküle in mehreren prästellaren Kernen. Heutzutage ist allgemein anerkannt, dass Methanol, der einfachste Vertreter der sauerstoffhaltigen komplexen organischen Moleküle, fast ausschließlich durch aufeinanderfolgende Hydrierung von CO auf der Oberfläche von Staubkörnern entsteht. Die Entstehungsmechanismen der meisten anderen komplexen organischen Moleküle sind jedoch nach wie vor umstritten. Entstehen sie auf der Oberfläche von Staubkörnern oder in der Gasphase? Wenn sie auf Staubkörnern entstehen, wie sind dann Reaktionen zwischen zwei schweren, unbeweglichen Reaktionspartnern in den extrem niedrigen Temperaturen von prästellaren Kernen möglich, und durch welchen Mechanismus werden sie in die Gasphase freigesetzt, wo sie dann beobachtbar werden? Die in dieser Arbeit vorgestellten Projekte befassen sich mit all diesen Fragen und versuchen, durch die Verknüpfung mit dem Thema Deuterierung bessere Einschränkungen zu liefern. Im ersten Projekt verwende ich den Gas-Staub-Chemiecode pyRate, um Säulendichteprofile für Methanol (CH3OH) und sein einfach deuteriertes Isotopolog (CH2DOH) des prototypischen prästellaren Kerns L1544 zu berechnen. Ich füge eine experimentbasierte Behandlung der reaktiven Desorption in pyRate hinzu, die eine individuelle reaktive Desorptionseffizienz ermittelt, welche von der Reaktionsenthalpie und der Oberflächenbedeckung des Staubkorns abhängig ist. Diese Arbeit schlägt auch eine Erweiterung des bestehenden Mechanismus vor, um die massenabhängige Aufteilung der Reaktionsenthalpie für eine Zwei-Produkt-Reaktion zu berücksichtigen. Zusätzlich werden mehrere chemische und physikalische Parameter getestet. Im zweiten Projekt habe ich pyRate mit mehreren nichtdiffusiven Reaktionsmechanismen aktualisiert, die auf der (geringen) Wahrscheinlichkeit beruhen, dass beide Reaktionspartner in unmittelbarer Nähe zueinander gebildet werden. Dazu gehören Eley-Rideal-Reaktionen, photo-dissoziationsinduzierte Reaktionen und Drei-Körper-Reaktionen. Zunächst untersuche ich ihren Einfluss auf die Bildung und Deuterierung von Methanol. Im dritten Projekt erweitere ich jedoch das chemische Netzwerk von Molekülen mit sieben Atomen auf Moleküle mit neun Atomen, wodurch die Bildung und Deuterierung größerer komplexer organischer Moleküle berechnet werden kann. Hier konzentriere ich mich auf drei sauerstoffhaltige komplexe organische Moleküle: Acetaldehyd (CH3CHO), Methylformiat (CH3OCHO) und Glycoaldehyd (CH2 OCHO), für die Beobachtungen mehrerer deuterierter Isotopologe aus dem protostellaren Stadium vorliegen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 12. Januar 2026
• 1. Bericht­erstatter:in: Caselli, Paola