26 Jun Detectada molécula CH3+ en disco protoplanetario

Un equipo internacional de científicos ha utilizado datos recopilados por el telescopio espacial James Webb para detectar por primera vez una molécula de carbono conocida como catión metilo (CH3+) en el disco protoplanetario que rodea a una estrella joven, gracias a un análisis interdisciplinar que ha incluido aportaciones de espectroscopistas de laboratorio.

Esta molécula simple tiene una propiedad única: reacciona de manera relativamente ineficiente con el hidrógeno, el elemento más abundante en nuestro Universo, 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 han hecho posible observarlo, en una región del espacio donde, pasado el tiempo, podrían llegar a formarse planetas capaces de albergar vida.

Los compuestos de carbono 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.

CH3+, piedra angular de la química interestelar

Como tal, la química orgánica interestelar es un área de profunda fascinación para los astrónomos que estudian los lugares donde se forman nuevas estrellas y planetas. Los iones moleculares que contienen carbono son especialmente importantes porque reaccionan con otras moléculas pequeñas para formar compuestos orgánicos más complejos, incluso a temperaturas interestelares bajas.

El catión metilo (CH3+) es un ion con base de carbono, lo suficientemente relevante como para que se haya teorizado como la piedra angular de la química orgánica interestelar, pero hasta ahora nunca se había detectado.

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 de CH3+ se detectó en el sistema estrella-disco protoplanetario conocido como d203-506, que se encuentra a unos 1.350 años luz de distancia, en la Nebulosa de Orión.

Mientras que la estrella en d203-506 es una pequeña enana roja, con una masa de solo una décima parte de la del Sol, el sistema soporta el bombardeo de radiación ultravioleta de las estrellas calientes, jóvenes y masivas cercanas.

Los científicos creen que la mayoría de los discos protoplanetarios pasan por un período de intensa radiación ultravioleta, ya que las estrellas tienden a formarse en grupos que a menudo incluyen estrellas masivas, que son fuentes de radiación ultravioleta.

Es fascinante cómo 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 brillan intensamente y mueren mucho antes que las estrellas menos masivas).

La paradoja Ultravioleta

La paradoja de todo esto es que los científicos supusieron durante mucho tiempo 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 con vida que conocemos nació de un disco que estuvo 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 protoplanetarios 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 quizás se haya subestimado anteriormente”.

Webb detecta lo nunca antes visto

Aunque investigaciones publicadas ya en la década de 1970 predijeron la importancia de CH3+, antes era prácticamente imposible de detectar.

Muchas moléculas en 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».

Esto significa que la geometría de la molécula debe ser tal que su carga eléctrica esté permanentemente desequilibrada, es decir, que tenga un lado con carga eléctrica positiva y otro con carga eléctrica negativa.

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 prácticamente imposibles de observar desde la Tierra. Consecuentemente, era necesario utilizar un telescopio espacial suficientemente sensible que pudiera observar señales en el infrarrojo.

Los instrumentos MIRI y NIRSpec de Webb han demostrado ser perfectos para este desempeño. De hecho, la 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 solo cuatro semanas, aprovechando la experiencia de un equipo internacional con una amplia gama de conocimientos.

Colaboración interdisciplinar

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 la composición de nuestro universo local. 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«.

Fuente: Webb makes first detection of crucial carbon molecule in a planet-forming disc | ESA/Webb