Científicos descubren moléculas que almacenan gran parte del carbono en el espacio
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El descubrimiento de derivados del pireno en una nube interestelar distante puede ayudar a revelar cómo se formó nuestro propio sistema solar.
Un equipo dirigido por investigadores del MIT ha descubierto que una nube interestelar distante contiene una gran cantidad de pireno, un tipo de molécula grande que contiene carbono conocida como hidrocarburo aromático policíclico (HAP).
El descubrimiento de pireno en esta nube lejana, que es similar a la acumulación de polvo y gas que eventualmente se convirtió en nuestro propio sistema solar, sugiere que el pireno puede haber sido la fuente de gran parte del carbono en nuestro sistema solar. Esa hipótesis también está respaldada por un hallazgo reciente de que las muestras traídas por por una sonda japonesa enviada por la JAXA a Ryugu, un asteroide cercano a la Tierra, contienen grandes cantidades de pireno.
“Una de las grandes preguntas en la formación de estrellas y planetas es: ¿cuánto del inventario químico de esa nube molecular primitiva se hereda y forma los componentes básicos del sistema solar? Lo que estamos observando es el principio y el final, y muestran lo mismo. Esa es una evidencia bastante sólida de que este material de la nube molecular primitiva encuentra su camino hacia el hielo, el polvo y los cuerpos rocosos que conforman nuestro sistema solar”, dice Brett McGuire, profesor adjunto de Química en el MIT.
Debido a su simetría, el pireno en sí es invisible para las técnicas de radioastronomía que se han utilizado para detectar alrededor del 95 por ciento de las moléculas en el espacio. En cambio, los investigadores detectaron un isómero de cianopireno, una versión de pireno que ha reaccionado con cianuro para romper su simetría. La molécula fue detectada en una nube distante conocida como TMC-1, utilizando el Green Bank Telescope (GBT) de 100 metros, un radiotelescopio en el Green Bank Observatory en Virginia Occidental.
McGuire e Ilsa Cooke, profesora adjunta de Química en la Universidad de Columbia Británica, son los autores principales de un artículo que describe los hallazgos, que fue publicado en Science. Gabi Wenzel, investigadora posdoctoral del MIT en el grupo de McGuire, es la autora principal del estudio.
Carbono en el espacio #
Se cree que los HAP, que contienen anillos de átomos de carbono fusionados, almacenan entre el 10 y el 25 por ciento del carbono que existe en el espacio. Hace más de 40 años, los científicos comenzaron a detectar mediante telescopios infrarrojos características que se cree que pertenecen a modos vibracionales de los HAP en el espacio, pero esta técnica no pudo revelar exactamente qué tipos de HAP existían.
“Desde que se desarrolló la hipótesis de los HAP en la década de 1980, muchas personas han aceptado que los HAP están en el espacio y se han encontrado en meteoritos, cometas y muestras de asteroides, pero realmente no podemos usar la espectroscopia infrarroja para identificar de manera inequívoca los HAP individuales en el espacio”, dice Wenzel.
En 2018, un equipo dirigido por McGuire informó del descubrimiento de benzonitrilo (un anillo de seis carbonos unido a un grupo nitrilo (carbono-nitrógeno)) en TMC-1. Para realizar este descubrimiento, utilizaron el GBT, que puede detectar moléculas en el espacio por sus espectros rotacionales (patrones distintivos de luz que emiten las moléculas cuando se mueven por el espacio). En 2021, su equipo detectó los primeros HAP individuales en el espacio: dos isómeros de cianonaftaleno, que consiste en dos anillos fusionados, con un grupo nitrilo unido a un anillo.
En la Tierra, los HAP suelen aparecer como subproductos de la quema de combustibles fósiles y también se encuentran en las marcas de carbonización de los alimentos asados. Su descubrimiento en TMC-1, que tiene una temperatura de tan sólo unos 10 kelvin, sugirió que también es posible que se formen a temperaturas muy bajas.
El hecho de que también se hayan encontrado HAP en meteoritos, asteroides y cometas ha llevado a muchos científicos a plantear la hipótesis de que los HAP son la fuente de gran parte del carbono que formó nuestro propio sistema solar. En 2023, investigadores de Japón encontraron grandes cantidades de pireno en muestras recuperadas del asteroide Ryugu durante la misión Hayabusa2, junto con HAP más pequeños, incluido el naftaleno.
Ese descubrimiento motivó a McGuire y a sus colegas a buscar pireno en TMC-1. El pireno, que contiene cuatro anillos, es más grande que cualquiera de los otros hidrocarburos aromáticos policíclicos que se han detectado en el espacio. De hecho, es la tercera molécula más grande identificada en el espacio y la más grande jamás detectada mediante radioastronomía.
Antes de buscar estas moléculas en el espacio, los investigadores tuvieron que sintetizar cianopireno en el laboratorio. El grupo ciano o nitrilo es necesario para que la molécula emita una señal que pueda detectar un radiotelescopio. La síntesis fue realizada por el investigador posdoctoral del MIT, Shuo Zhang en el grupo de Alison Wendlandt, profesora asociada de Química del MIT**.
Luego, los investigadores analizaron las señales que emiten las moléculas en el laboratorio, que son exactamente las mismas que emiten en el espacio.
Utilizando el GBT, los investigadores encontraron estas firmas en todo TMC-1. También descubrieron que el cianopireno representa aproximadamente el 0,1 por ciento de todo el carbono encontrado en la nube, lo que parece poco, pero es significativo si se consideran los miles de tipos diferentes de moléculas que contienen carbono que existen en el espacio, dijo McGuire.
“Aunque el 0,1 por ciento no parece una cifra elevada, la mayor parte del carbono está atrapado en el monóxido de carbono (CO), la segunda molécula más abundante en el universo después del hidrógeno molecular. Si dejamos de lado el CO, uno de cada cientos de átomos de carbono restantes está en el pireno. Imaginemos las miles de moléculas diferentes que hay, casi todas con muchos átomos de carbono diferentes, y una de cada cientos está en el pireno”, detalló. “Es una abundancia absolutamente enorme. Un sumidero de carbono casi increíble. Es una isla interestelar de estabilidad”.
Ewine van Dishoeck, profesora de Astrofísica molecular en el Observatorio de Leiden en los Países Bajos, calificó el descubrimiento de “inesperado y emocionante”.
“Se basa en sus descubrimientos anteriores de moléculas aromáticas más pequeñas, pero dar el salto ahora a la familia de los pirenos es enorme. No sólo demuestra que una fracción significativa de carbono está encerrada en estas moléculas, sino que también señala diferentes rutas de formación de aromáticos que las que se han considerado hasta ahora”, dijo van Dishoeck, que no participó en la investigación.
Abundancia de pireno #
Las nubes interestelares como TMC-1 pueden eventualmente dar origen a estrellas, a medida que los cúmulos de polvo y gas se fusionan para formar cuerpos más grandes y comienzan a calentarse. Los planetas, asteroides y cometas surgen de parte del gas y polvo que rodea a las estrellas jóvenes. Los científicos no pueden mirar atrás en el tiempo a la nube interestelar que dio origen a nuestro propio sistema solar, pero el descubrimiento de pireno en TMC-1, junto con la presencia de grandes cantidades de pireno en el asteroide Ryugu, sugiere que el pireno puede haber sido la fuente de gran parte del carbono en nuestro propio sistema solar.
“Me atrevería a decir que ahora tenemos la evidencia más sólida jamás obtenida de esta herencia molecular directa desde la nube fría hasta las rocas reales del sistema solar”, afirmó McGuire.
Los investigadores planean ahora buscar moléculas de HAP aún más grandes en TMC-1. También esperan investigar la cuestión de si el pireno encontrado en TMC-1 se formó dentro de la nube fría o si llegó desde otro lugar del universo, posiblemente a partir de los procesos de combustión de alta energía que rodean a las estrellas moribundas.
Importante #
- El paper “Detection of interstellar 1-cyanopyrene: a four-ring polycyclic aromatic hydrocarbon”, fue publicado en Science. Sus autores son: Gabi Wenzel, Ilsa R. Cooke, P. Bryan Changala, Edwin A. Bergin, Shuo Zhang, Andrew M. Burkhardt, Alex N. Byrne, Steven B. Charnley, Martin A. Cordiner, Miya Duffy, Zachary T. P. Fried, Harshal Gupta, Martin S. Holdren, Andrew Lipnicky, Ryan A. Loomis, Hannah Toru Shay, Christopher N. Shingledecker, Mark A. Siebert, D. Archie Stewart, Reace H. J. Willis, Ci Xue, Anthony J. Remijan, Alison E. Wendlandt, Michael C. McCarthy & Brett A. McGuire
La investigación fue financiada en parte por el premio para jóvenes investigadores de la Fundación Beckman, Schmidt Futures, la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá, el Centro Goddard de Astrobiología y el Programa de Financiamiento Interno de Científicos de la División de Ciencias Planetarias de la NASA.
