La región de la Barra de Orión (imagen NIRCam) – ESA
Un equipo internacional de científicos ha utilizado datos recopilados por el telescopio espacial James Webb de la NASA / ESA / CSA para detectar una molécula [1] conocido como el catión metilo (CH3 +) por primera vez, ubicado en el disco protoplanetario que rodea a una estrella joven. Lograron esta hazaña con un análisis experto interdisciplinario, que incluyó aportes clave de espectroscopistas de laboratorio.
Esta molécula simple tiene una propiedad única: reacciona de manera relativamente ineficiente con el elemento más abundante en nuestro Universo (el hidrógeno), pero reacciona rápidamente con otras moléculas y, por lo tanto, inicia el crecimiento de moléculas más complejas basadas en el carbono. La química del carbono es de particular interés para los astrónomos porque toda la vida conocida se basa en el carbono. El papel vital del CH3+ en la química del carbono interestelar se predijo en la década de 1970, pero las capacidades únicas de Webb finalmente hicieron posible observarlo, en una región del espacio donde eventualmente podrían formarse planetas capaces de albergar vida.
compuestos de carbono [2] forman los cimientos de toda la vida conocida y, como tales, son de particular interés para los científicos que trabajan para comprender cómo se desarrolló la vida en la Tierra y cómo podría desarrollarse potencialmente en otras partes de nuestro Universo. Como tal, la química orgánica interestelar [3] es un área de gran fascinación para los astrónomos que estudian los lugares donde se forman nuevas estrellas y planetas. Iones moleculares [4] que contienen carbono son especialmente importantes, porque reaccionan con otras moléculas pequeñas para formar compuestos orgánicos más complejos, incluso a bajas temperaturas interestelares. [5].
El catión metilo (CH3 +) es uno de esos iones a base de carbono. Los científicos han postulado que el CH3+ tiene una importancia particular desde las décadas de 1970 y 1980. Esto se debe a una propiedad fascinante de CH3 +, que es que reacciona con una amplia gama de otras moléculas. Este pequeño catión es lo suficientemente importante como para que se haya teorizado como la piedra angular de la química orgánica interestelar, pero hasta ahora nunca se había detectado.
Las propiedades únicas del telescopio espacial James Webb lo convirtieron en el instrumento ideal para buscar este catión crucial, y ya un grupo de científicos internacionales lo han observado con Webb por primera vez. Marie-Aline Martin de la Universidad Paris-Saclay, Francia, espectroscopista y miembro del equipo científico, explica: “Esta detección de CH3+ no solo valida la increíble sensibilidad de James Webb, sino que también confirma la importancia central postulada de CH3+ en la química interestelar. ”
La señal CH3+ fue detectada en el disco estrella-protoplanetario [6] sistema conocido como d203-506, que se encuentra a unos 1350 años luz de distancia, en la Nebulosa de Orión. Mientras que la estrella en d203-506 es una pequeña estrella enana roja, con una masa de solo una décima parte de la del Sol, el sistema es bombardeado por una fuerte radiación ultravioleta de estrellas calientes, jóvenes y masivas cercanas. Los científicos creen que la mayoría de los discos protoplanetarios que forman planetas pasan por un período de radiación ultravioleta tan intensa, ya que las estrellas tienden a formarse en grupos que a menudo incluyen estrellas masivas productoras de ultravioleta.
De manera fascinante, la evidencia de los meteoritos sugiere que el disco protoplanetario que pasó a formar nuestro Sistema Solar también estuvo sujeto a una gran cantidad de radiación ultravioleta, emitida por un compañero estelar de nuestro Sol que murió hace mucho tiempo (las estrellas masivas arden brillantemente y mueren mucho más). más rápido que las estrellas menos masivas). El factor de confusión en todo esto es que durante mucho tiempo se ha considerado que la radiación ultravioleta es puramente destructiva para la formación de moléculas orgánicas complejas y, sin embargo, hay pruebas claras de que el único planeta que alberga vida que conocemos nació de un disco que fue muy expuesto a ella.
El equipo que realizó esta investigación puede haber encontrado la solución a este enigma. Su trabajo predice que la presencia de CH3+ está de hecho relacionada con la radiación ultravioleta, que proporciona la fuente de energía necesaria para que se forme CH3+. Además, el período de radiación ultravioleta experimentado por ciertos discos parece tener un profundo impacto en su química.
Por ejemplo, las observaciones de Webb de discos protoplanetarios que no están sujetos a la intensa radiación ultravioleta de una fuente cercana muestran una gran abundancia de agua, en contraste con d203-506, donde el equipo no pudo detectar agua en absoluto. El autor principal, Olivier Berné de la Universidad de Toulouse, Francia, elabora: “Esto muestra claramente que la radiación ultravioleta puede cambiar por completo la química de un disco protoplanetario. En realidad, podría desempeñar un papel fundamental en las primeras etapas químicas de los orígenes de la vida al ayudar a producir CH3 +, algo que tal vez se haya subestimado anteriormente».
Aunque investigaciones publicadas ya en la década de 1970 predijeron la importancia del CH3 +, antes era prácticamente imposible de detectar. Muchas moléculas en los discos protoplanetarios se observan usando radiotelescopios. Sin embargo, para que esto sea posible, las moléculas en cuestión deben poseer lo que se conoce como un «momento dipolar permanente», lo que significa que la geometría de la molécula es tal que su carga eléctrica está permanentemente desequilibrada, lo que le da a la molécula un «momento dipolar positivo y negativo». fin ‘. CH3+ es simétrico y, por lo tanto, su carga está equilibrada, por lo que carece del momento dipolar permanente necesario para las observaciones con radiotelescopios.
En teoría, sería posible observar líneas espectroscópicas emitidas por CH3 + en el infrarrojo, pero la atmósfera de la Tierra hace que estas sean esencialmente imposibles de observar desde la Tierra. Por lo tanto, era necesario utilizar un telescopio espacial suficientemente sensible que pudiera observar señales en el infrarrojo. Los instrumentos NIRSpec, parte de la contribución europea a Webb’s, y MIRI, la mitad de los cuales fue aportado por Europa, fueron perfectos para el trabajo. De hecho, una detección de CH3+ había sido previamente tan esquiva que cuando el equipo vio por primera vez la señal en sus datos, no estaban seguros de cómo identificarla. Sorprendentemente, el equipo pudo interpretar su resultado en cuatro breves semanas, aprovechando la experiencia de un equipo internacional con una amplia gama de conocimientos.
El descubrimiento de CH3 + fue posible solo a través de una colaboración entre astrónomos observacionales, modeladores astroquímicos, teóricos y espectroscopistas experimentales, que combinaron las capacidades únicas de JWST en el espacio con las de los laboratorios terrestres para investigar e interpretar con éxito nuestro universo local. composición y evolución. Marie-Aline Martin agrega: «Nuestro descubrimiento solo fue posible porque los astrónomos, modeladores y espectroscopistas de laboratorio unieron fuerzas para comprender las características únicas observadas por James Webb».
Los resultados del equipo PDRs4ALL ERS se han publicado hoy en Nature.
notas
[1] Una molécula es una partícula formada por dos o más átomos que se mantienen unidos por enlaces químicos.
[2] Un compuesto es una molécula que incluye más de un elemento. Así, todos los compuestos son moléculas pero no todas las moléculas son compuestos. Por ejemplo, la molécula de hidrógeno (H2) es una molécula pero no un compuesto, mientras que la molécula de agua (H2O) también es un compuesto.
[3] La química orgánica se refiere a la química de moléculas y compuestos a base de carbono. También puede denominarse química del carbono.
[4] Un ion es un átomo o molécula que tiene una carga eléctrica total, debido a un exceso o déficit en el número de electrones negativos en comparación con el número de protones positivos en el ion. Un catión es un ion con una carga positiva neta (por lo tanto, un déficit de electrones).
[5] Una molécula orgánica compleja es una molécula con múltiples átomos de carbono.
[6] Un disco protoplanetario es un disco giratorio de gas y polvo que se forma alrededor de estrellas jóvenes y a partir del cual se pueden formar finalmente planetas.
Más información
Webb es el telescopio más grande y poderoso jamás lanzado al espacio. En virtud de un acuerdo de colaboración internacional, la ESA proporcionó el servicio de lanzamiento del telescopio, utilizando el vehículo de lanzamiento Ariane 5. Trabajando con socios, la ESA fue responsable del desarrollo y calificación de las adaptaciones de Ariane 5 para la misión Webb y de la adquisición del servicio de lanzamiento por parte de Arianespace. La ESA también proporcionó el espectrógrafo NIRSpec y el 50 % del instrumento de infrarrojo medio MIRI, que fue diseñado y construido por un consorcio de institutos europeos financiados a nivel nacional (el Consorcio Europeo MIRI) en colaboración con el JPL y la Universidad de Arizona.
Webb es una asociación internacional entre la NASA, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense (CSA).
Astrobiología, Astroquímica
