Moléculas interestelares que huelen a almendras

El universo está lleno de moléculas, las encontramos por todos lados, desde nuestro planeta, las lunas del sistema solar, los cometas,… hasta las galaxias más lejanas.

Aquí en la Vía Láctea existen regiones donde las estrellas apenas están en sus primeras etapas de crecimiento y aún se encuentran envueltas por gas molecular y polvo. Sabemos también de la existencia de una gran cantidad de moléculas alrededor de las estrellas más evolucionadas, como aquellas que están a punto de morir, en las nebulosas planetarias y las remanentes de supernova.

Hasta ahora se han encontrado más de 230 especies químicas diferentes. Entre las moléculas más simples podemos mencionar el monóxido de carbono (CO) o el monóxido de azufre (SO). Hay también de tres átomos, como el agua, de 10 como el etilenglicol (C2H6O2), un alcohol bastante usado por la industria, que es la base de los anticongelantes de los autos y que hemos observado en regiones de formación estelar, como la nebulosa de Orión.

La detección de estas moléculas se ha hecho principalmente mediante radiotelescopios. Desde los años sesenta y setenta del siglo pasado hemos descubierto moléculas cada vez más interesantes y más complejas.

Uno de estos tipos son los llamados hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH por sus siglas en Inglés), compuestos orgánicos formados por anillos simples de carbono unidos entre ellos.

Espectros infrarrojos captados por el Telescopio Espacial Spitzer. Crédito: NASA Ames

Sin embargo, la detección individual de estas moléculas no ha resultado sencilla. En los espectros infrarrojos, ultravioleta y de radio las observamos generalmente como grandes bandas, no como líneas individuales.

En la mayoría de los casos, solo los experimentos hechos en laboratorios donde se simulan las condiciones del medio Interestelar y los modelos computacionales, nos han llevado a sugerir que esas bandas en los espectros pertenecen, efectivamente, a los hidrocarburos aromáticos policíclicos.

A pesar de lo poco que sabemos de estos compuestos se piensa que entre el 10 y el 25% de todo el carbono del medio Interestelar está contenido en esas sustancias. De ahí su importancia para la comunidad científica.

Esta historia comienza con unas observaciones realizadas con un radiotelescopio de 45 metros de diámetro ubicado en Nobeyama en Japón. Hasta hace algunos años era la antena dedicada a la investigación astronómica, en la parte milimétrica del espectro, más grande del mundo.

En el año 2016, el astrónomo Sergei Kalenskii del Instituto de Fisica Lebedev, en Rusia, usó datos de archivo, observaciones previamente hechas, para buscar líneas moleculares correspondientes a moléculas aromáticas.

Estas observaciones fueron realizadas en dirección de la Nube Molecular de Tauro, una región de formación estelar a unos 430 años luz y en dirección de esta constelación, bastante cerca de las Pleiades y de la estrella Aldebarán.

Región de la constelación de Tauro. Las Pléyades es el cúmulo a la derecha. El grupo de estrellas abajo a la izquierda son las Hiades. Los filamentos oscuros arriba corresponden a la Nube Molecular de Tauro. Crédito: Brett McGuire

En la Nube Molecular de Tauro actualmente encontramos protoestrellas de baja masa, los embriones de lo que en unos cientos de millones de años podrían ser estrellas como el Sol.

De todas las moléculas esperadas, sólo en el caso del benzonitrilo, la línea espectral apenas tenía una señal a ruido mínima, como para considerarla una detección positiva. Sin embargo, para establecer una firme detección en estos casos, siempre es necesario observar, con seguridad, otras transiciones, otras líneas de la misma molécula, pero en otras partes del espectro.

El benzonitrilo por cierto, es una molécula anillada, tipo el benceno, un hexágono de carbonos e hidrógenos, pero con un ion CN anclado en la molécula, en sustitución de uno de los hidrógenos. Y como lo indica su clasificación es aromática, esta huele nada más y nada menos que a almendras.

Los datos con los que Sergei contaba en ese momento, eran insuficientes en calidad como para decir más, algo definitivo, con respecto a la existencia de benzonitrilo en la nube de Tauro.

Así, un grupo de astrónomos liderados por Brett McGuire, y en el que también está Kalenskii, usaron en 2018 y 2019, la gran antena de 100 metros ubicada en Green Bank, Virginia Occidental, Estados Unidos, una zona boscosa, muy bonita, bucólica y que además es radiosilente, es decir, esta prohibido el uso de herramientas y dispositivos de comunicación que generen emisiones de radio que ensucien y limiten el trabajo de los astrónomos cuando usan la enorme antena.

Radiotelescopio de Green Bank, EU. Crédito: Brett McGuire

De estas observaciones, McGuire y sus colegas reportaron en 2018 la confirmación de la molécula aromática benzonitrilo en el medio interestelar, una de las posibles precursoras químicas de los hidrocarburos aromáticos policíclicos.

Pero el resto de la historia se escribió apenas hace poco.

La estrategia fue realizar mejores observaciones, también con la antena de Green Bank, con la intención de aumentar la señal a ruido, la calidad de las líneas, no sólo del benzonitrilo, sino también de otras posibles moléculas complejas que pudieran caer en los espectros. Así, estas observaciones fueron hechas en junio de 2020.

Una de las especies que tenían previsto buscar es el cianonaftaleno, que no es otra cosa que dos anillos de benceno unidos y que también presentan el ion CN sustituyendo uno de los hidrógenos de la molécula.

Entonces, con todos los datos posibles, los astrónomos seleccionaron las regiones del espectro donde podían encontrarse las líneas, limpiaron las señales, las sumaron mediante técnicas matemáticas y estadísticas y encontraron, con bastante certidumbre, la existencia de la molécula 1 y 2 cianonaftaleno.

Gracias a esta detección los astrónomos pudieron calcular la densidad del gas en esta nebulosa, además de su temperatura, su tamaño y hasta las mismas velocidades a las que se mueve el material en la región de formación estelar.

Para confirmar la existencia del cianonaftaleno, el grupo científico calculó las posiciones de otras líneas que deberías de aparecer en otras partes de las observaciones espectrales. Las estimaciones decían que ninguna otra línea del 2-cianonaftaleno aparecería, pero sí varias del 1-cianonaftaleno, hasta una docena de ellas.

Cuando compararon líneas simuladas, usando parámetros físicos obtenidos de las líneas confirmadas, encontraron que varias de ellas se ajustaban bastante bien a las observadas. Dicho de otra manera, las líneas espectrales artificiales y originales se parecen mucho, lo cual da bastante certidumbre para confirmar o rechazar la existencia de las especies moleculares.

Otro aspecto que analizaron los científicos fue la procedencia del cianonaftaleno, desde el punto de vista químico.

Al respecto podríamos pensar en dos escenarios de formación química, uno de abajo hacia arriba y otro de arriba hacia abajo.

En el caso del escenario de formación de arriba hacia abajo, pequeñas partículas de carbono en los alrededores de las estrellas evolucionadas, son fragmentados por radiación ultravioleta hasta formar una variedad de hidrocarburos aromáticos policíclicos. Es una forma de decir que estos se forman a partir de estructuras moleculares más grandes y complejas.

Luego las moléculas ya formadas son dispersadas al medio entre las estrellas por el empuje de los vientos de estas estrellas en sus momentos finales, llegando así hasta las nubes moleculares donde se están formando nuevas estrellas.

En el escenario de abajo hacia arriba, los aromáticos policíclicos son formados in situ, dentro de las nubes moleculares a partir de átomos y moléculas precursoras, mediante reacciones químicas.

El problema con el primer escenario, el de arriba hacia abajo, es que los modelos físicos y químicos muestran que las moléculas como el cianonaftaleno no podrían sobrevivir por mucho tiempo a la intensa radiación ultravioleta que hay en el medio entre las estrellas, lo que sugiere que más bien, este compuesto se forma dentro de las nubes.

Sin embargo, después de analizar diversos escenarios para la formación del cianonaftaleno, como en reacciones gaseosas entre iones, especies neutras e incluso, reacciones donde los granos de polvo estelar sirven como catalizadores de las reacciones, ninguno de estos modelos, de estos escenarios químicos, son capaces de reproducir las cantidades observadas con los radiotelescopios.

Dicho de otra manera, algo no cuadra entre las observaciones y la teoría. Nada nuevo en la ciencia, por supuesto, pero esto obliga a McGuire y sus colaboradores, y a otros grupos de investigación que también están a la caza de los aromáticos policíclicos, a buscar mejores simulaciones químicas para entender cómo se forman este y otro tipo de moléculas similares.

Al ser especies orgánicas y complejas, los hidrocarburos aromáticos policíclicos son importantísimos para encontrar caminos que nos lleven a las respuestas sobre moléculas mucho más complejas y relacionadas con las primeras etapas de la vida en la Tierra.

Al investigar esas curiosas moléculas con olores a almendras y a picante, ubicadas a cientos de años luz, posiblemente estamos avanzando en descubrir nuestro propio origen cósmico.

Referencias:

McGuire et al., Science 359, 202-205 (2018)
McGuire et al., Science 371, 1265 (2021)

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