Simulación espacial para explorar el gran misterio de la química interestelar

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Laboratorio de espectroscopia láser, Facultad de Química, Universidad de Melbourne. Crédito: Universidad de Melbourne

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Laboratorio de espectroscopia láser, Facultad de Química, Universidad de Melbourne. Crédito: Universidad de Melbourne

El universo tiene más de 13 mil millones de años y el espacio a menudo se representa como un vasto vacío. Aparte de planetas y estrellas, no hay nada allí, ¿verdad? De hecho, el espacio está lleno de moléculas complejas basadas en carbono. Sin embargo, el alcance de las moléculas y la química implicada en su formación sigue siendo en gran medida oscuro.

Había indicios tentadores de astroquímica compleja. Por ejemplo, se han descubierto moléculas prebióticas como aminoácidos y nucleobases en meteoritos, el más famoso de los cuales cayó en 1969 cerca de Murchison, a unos 140 kilómetros al norte de Melbourne.

Pero para comprender la composición molecular del espacio, los astrónomos y astroquímicos deben ir más allá del análisis de meteoritos que chocan con la Tierra.

Para hacer esto, los astrónomos miden la radiación estelar usando telescopios, mientras que otros científicos simulan las condiciones interestelares en el laboratorio; más adelante explicaremos cómo nuestro equipo utiliza esta técnica.

Observando partículas astronómicas

De las aproximadamente 240 moléculas descubiertas ahora en el espacio, la mayoría fueron detectadas mediante radiotelescopios.

El Telescopio Espacial James Webb (JWST), el telescopio espacial más grande jamás lanzado, está diseñado para obtener imágenes de objetos muy distantes y emitir especies químicas en el infrarrojo medio, que pueden usarse para identificar elementos y moléculas.

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La alta sensibilidad y resolución del Telescopio Espacial James Webb ya han permitido muchas observaciones de última generación de moléculas astronómicas que están ayudando a desentrañar la naturaleza y el origen de la complejidad química en el universo.

Esta evidencia reciente incluye la presencia de moléculas orgánicas complejas en la galaxia SPT0418-47, ubicada a 12.300 millones de años luz de distancia, y se trata de las moléculas orgánicas más distantes y antiguas jamás descubiertas.

Las moléculas son hidrocarburos poliaromáticos (PAH) que constan de dos o más anillos aromáticos de carbono fusionados, que se encuentran en todas partes de la Tierra, en sistemas vivos, combustibles fósiles y participan en la química involucrada en el origen de la vida.

Otro descubrimiento importante es la observación de la metilación del catión metilo (CH3+) en el disco que rodea una estrella recién formada.

Esta región está expuesta a la intensa radiación ultravioleta de la joven estrella caliente, proporcionando la energía necesaria para formar CH.3+que tiene una estructura molecular equivalente al metano menos un átomo de hidrógeno y desempeña un papel importante en la formación de moléculas más complejas a base de carbono.

Estos componentes y otros componentes químicos complejos son expulsados ​​por novas, supernovas y otros eventos cósmicos masivos hacia la vasta región entre las estrellas: el medio interestelar.

Entre 2001 y 2007 se grabó una película Timelapse del objeto Herbig-Haro HH34. Las imágenes muestran una corriente de gas que emana de una estrella joven y caliente que es expulsada al espacio, contribuyendo a la formación del medio interestelar. Fuente: NASA, ESA y B. Hartigan (Universidad de Rice)

Aunque no podemos viajar años luz para recolectar y estudiar moléculas interestelares, los astrónomos pueden detectar moléculas en el medio interestelar recolectando la luz emitida por las estrellas.

Dado que la luz viaja una distancia enorme antes de llegar a los detectores en la Tierra, existe una alta probabilidad de que sea absorbida por moléculas en las nubes interestelares.

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Las longitudes de onda de la luz que se absorben dan un espectro que contiene las huellas dactilares de las moléculas en el espacio.

Curiosamente, se han encontrado más de 500 líneas de absorción en la región visible y del infrarrojo cercano del espectro, que se conocen como bandas interestelares difusas (DIB). Muchos de los DIB más destacados fueron observados por primera vez por Ph.D. La estudiante Mary Leah Heeger en 1919 en el Observatorio Lick de California (EE.UU.), y desde entonces se han descubierto varias conexiones arqueológicas fundamentales.

¿De qué están hechas las moléculas entre las estrellas?

Si bien ahora está claro que los DIB surgen de moléculas que se encuentran en el medio interestelar, la estructura y composición de las moléculas responsables de casi todos los DIB sigue siendo un misterio.

De hecho, sólo se ha identificado una molécula como fuente de características en los espectros de los DIB, a saber, el grupo de carbono buckminsterfullereno (C).60+) que parece una pelota de fútbol pequeña.

Porque C₆60+ son los únicos portadores confirmados de DIB, es razonable esperar que otros DIB sean causados ​​por grandes grupos de carbono de 10 a 100 átomos.

Los grupos de carbono tienen una variedad de tamaños y formas moleculares; Sin embargo, la amplia gama de estructuras posibles complica su detección.

simulación espacial

En el sótano del edificio de química del laboratorio de espectroscopia láser, el Dr. Samuel Marlton Ph.D. El candidato Zhang Liu y el profesor Ivan Pesky utilizan un dispositivo casero para generar, separar y aislar estructuras de un solo grupo de carbono en condiciones de fase gaseosa que se asemejan al frío vacío del espacio.

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Utilizando este instrumento, el equipo compara datos astrofísicos medidos por astrónomos con datos de laboratorio sobre estructuras de grupos de carbono identificadas.

en el ultimo trabajo publicado En el Revista de química física AEl equipo de investigación examinó los espectros de absorción de los macrociclos de carbono, que son agregados de carbono que contienen entre 14 y 36 átomos dispuestos en anillos planos.

En este trabajo, encontraron evidencia de un anillo de carbono, C14+ (hecho de 14 átomos de carbono) que puede contribuir a los espectros de DIB.

Es un resultado emocionante porque casi todos los más de 500 DIB se deben a moléculas aún no identificadas, lo que ilustra los misterios actuales que rodean la estructura molecular del espacio interestelar.

Aunque el Telescopio Espacial James Webb toma mediciones astronómicas con energías más bajas que las reportadas aquí, ambos son parte del Proyecto de Descubrimiento de Partículas Interestelares a través de investigaciones astronómicas y de laboratorio conjuntas.

Juntas, estas tecnologías están empezando a revelar que hay mucho más en el universo que sólo espacio vacío.

más información:
Samuel J. B. Marlton et al., Exploración de anillos de carbono masivos, Revista de química física A (2023). doi: 10.1021/acs.jpca.2c07068

Información de la revista:
Revista de química física A


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