Científicos descubren moléculas que «chupan» gran parte del carbono que hay en el espacio
El hallazgo de derivados del pireno —un hidrocarburo aromático policíclico— en una nube interestelar distante puede ayudar a revelar cómo se formó nuestro propio sistema solar.
Por Anne Trafton / MIT News
Los hallazgos sugieren que el pireno puede haber sido la fuente de gran parte del carbono en el Sistema Solar. «Es un sumidero de carbono casi increíble», dice Brett McGuire, a la derecha, junto al autor principal del estudio, Gabi Wenzel. Crédito: Bryce Vickmark
Un equipo dirigido por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts, en Estados Unidos, ha descubierto que una nube interestelar lejana contiene pireno en abundancia, un compuesto orgánico de tipo hidrocarburo aromático policíclico (HAP) de fórmula química C₁₆H₁₀.
El descubrimiento de pireno en esta nube lejana, similar al conjunto de polvo y gas que acabó formando nuestro sistema solar, sugiere que el pireno pudo ser la fuente de gran parte del carbono de nuestro sistema solar. Esta hipótesis también se ve respaldada por el reciente descubrimiento de que las muestras devueltas por el asteroide Ryugu, cercano a la Tierra, contienen grandes cantidades de pireno.
Recordemos que la sonda espacial japonesa Hayabusa 2 visitó este asteroide, llegando a orbitario en julio de 2018, y trajo de vuelta una cápsula con muestras de su superficie el 5 de diciembre de 2020.
Rotación del asteroide Ryugu: la sonda Hayabusa 2 lo visitó y recogió muestras de su superficie, que trajo a la Tierra en 2020.
«Una de las grandes preguntas en la formación de estrellas y planetas es la siguiente: ¿Qué parte del inventario químico de esa nube molecular primitiva se hereda y forma los componentes básicos del sistema solar? —afirma Brett McGuire, profesor adjunto de Química en el MIT. Y añade—: Lo que estamos viendo es el principio y el final, y muestran lo mismo. Eso es una prueba bastante contundente de que este material de la nube molecular primitiva encuentra su camino hacia el hielo, el polvo y los cuerpos rocosos que componen nuestro sistema solar».
Debido a su simetría, el pireno en sí mismo es invisible a las técnicas de radioastronomía que se han utilizado para detectar alrededor del 95% de las moléculas en el espacio. En cambio, los investigadores detectaron un isómero de cianopireno, una versión del pireno que ha reaccionado con el cianuro para romper su simetría. La molécula fue localizada en una nube distante, conocida como TMC-1, con la ayuda del Telescopio Green Bank (GBT) de 100 metros, un radiotelescopio del Observatorio Green Bank, en Virginia Occidental.
McGuire e Ilsa Cooke, profesora de Química en la Universidad de Columbia Británica, son los autores principales del artículo que describe los hallazgos en la revista Science. Gabi Wenzel, postdoctorado del MIT en el grupo de McGuire, es el autor principal del estudio.
Carbono en el espacio
Se cree que los hidrocarburos aromáticos policíclicos, que contienen anillos de átomos de carbono fusionados, almacenan entre el 10% y el 25% del carbono que existe en el espacio. Hace más de cuarenta años, los científicos que utilizaban los telescopios infrarrojos comenzaron a detectar características que se cree que pertenecen a los 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 inequívocamente los HAP individuales en el espacio», explica Wenzel.
En 2018, un equipo dirigido por McGuire informó del descubrimiento en la nube TMC-1 de benzonitrilo, un anillo de seis carbonos unido a un grupo de nitrilo (carbono-nitrógeno) que huele a almendra. Para hacer este descubrimiento, utilizaron el GBT, que puede detectar moléculas en el espacio por sus espectros de rotación, patrones distintivos de luz que emiten las moléculas a medida que caen a través del espacio.
Presenten en las barbacoas
Tres años más tarde, su equipo detectó los primeros hidrocarburos aromáticos policíclicos 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 se producen comúnmente como subproductos de la quema de combustibles fósiles, y también se encuentran en las marcas de carbón en los alimentos cocinados a la parrilla. Su descubrimiento en TMC-1, que tiene solo unos 10 kelvins, sugirió que también podría ser posible que se formaran 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 japoneses hallaron grandes cantidades de pireno en muestras obtenidas del asteroide Ryugu durante la misión Hayabusa2, junto con HAP más pequeños, como el naftaleno.
Síntesis de cianopireno en el laboratorio
Ese descubrimiento motivó a McGuire y sus colegas a buscar pireno en la nube molecular de Tauro 1, esto es, en TMC-1. El pireno, que contiene cuatro anillos, es mayor que cualquiera de los otros HAP que se han detectado en el espacio. De hecho, es la tercera molécula más grande identificada en el espacio, y la más grande jamás identificada mediante radioastronomía.
Antes de buscar estas moléculas en el espacio, los investigadores primero tuvieron que sintetizar cianopireno en el laboratorio. El grupo ciano o nitrilo es necesario para que la molécula emita una señal que un radiotelescopio puede detectar. La síntesis fue realizada por el postdoctorado del MIT Shuo Zhang en el grupo de Alison Wendlandt, profesora de Química del MIT.
Luego, los investigadores analizaron las señales que emiten las moléculas en el laboratorio, que son exactamente las mismas que las señales que emiten en el espacio.
«Una de las grandes preguntas en la formación de estrellas y planetas es la siguiente: ¿cuánto del inventario químico de esa nube molecular temprana se hereda y forma los componentes básicos del Sistema Solar? Lo que estamos viendo es el principio y el final, y están mostrando lo mismo», dice McGuire. Créditos: Bryce Vickmark
Utilizando el GBT, los investigadores hallaron estas firmas en toda TMC-1. También descubrieron que el cianopireno representa aproximadamente el 0,1% de todo el carbono que se encuentra en la nube, lo que parece poco pero es significativo si se tienen en cuenta los miles de tipos diferentes de moléculas que contienen carbono que existen en el espacio, según McGuire.
«Aunque el 0,1% no parece una cifra muy grande, la mayor parte del carbono está atrapado en el monóxido de carbono (CO), la segunda molécula más abundante del universo, además del hidrógeno molecular. Si dejamos a un lado el CO, uno de cada pocos cientos de átomos de carbono restantes está en el pireno.
Un sumidero de carbono casi increíble
«Imagínate los miles de moléculas diferentes que existen, casi todas ellas con muchos átomos de carbono distintos, y una de cada cientos está en el pireno — afirmaMcGuire. Y añade—: Es una abundancia absolutamente masiva. Un sumidero de carbono casi increíble. Es una isla interestelar de estabilidad».
Ewine van Dishoeck, profesora de Astrofísica Molecular del Observatorio de Leiden (Países Bajos), calificó el descubrimiento de «inesperado y emocionante».
«Se basa en sus descubrimientos anteriores de moléculas aromáticas más pequeñas, pero dar ahora el salto a la familia de los pirenos es enorme —afirma Van Dishoeck, que no participó en la investigación. Y continúa—: No solo demuestra que una fracción significativa del carbono está encerrada en estas moléculas, sino que también apunta a rutas de formación de aromáticos distintas de las que se habían considerado hasta ahora» .
Las nubes interestelares como TMC-1 pueden acabar dando lugar a estrellas, a medida que los cúmulos de polvo y gas se fusionan en cuerpos más grandes y comienzan a calentarse. Planetas, asteroides y cometas surgen de parte del gas y el polvo que rodean a las estrellas jóvenes.
Un aliento para las estrellas moribundas
Los científicos no pueden retroceder en el tiempo hasta la nube interestelar que dio origen a nuestro propio sistema solar, pero el descubrimiento de pireno en la nube 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 del Sistema Solar.
"Ahora tenemos, me atrevería a decir, la evidencia más fuerte de esta herencia molecular directa desde la nube fría hasta las rocas reales en el sistema solar", dice McGuire.
Los investigadores ahora planean buscar moléculas de PAH aún más grandes en TMC-1. También esperan investigar la cuestión de si el pireno encontrado en la nube TMC-1 se formó dentro de la nube fría o si llegó de otra parte del universo, posiblemente de los procesos de combustión de alta energía que rodean a las estrellas moribundas. ▪️
Publicado con el permiso de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Gabi Wenzel et al. Detection of interstellar 1-cyanopyrene: A four-ring polycyclic aromatic hydrocarbon.
Science (2024). DOI: 10.1126/science.adq6391
