Viaje al centro de las estrellas
Cosmos
Por Bertin Anzaldo y Pankaj Sharma
El nitrógeno en nuestro ADN, el calcio en nuestros dientes, el hierro en nuestra sangre, el carbono en nuestras tartas de manzana se hizo en el interior de las estrellas colapsadas. Estamos hechos de materia estelar.
Carl Sagan
Un día, durante una clase optativa de la carrera, el profesor nos relató la historia de la cartografía terrestre, conocida como mapas de la Tierra, y la odisea de los exploradores que trazaron rutas a través de desiertos, selvas y mares. En esa época antigua, las estrellas sirvieron como brújula celestial para aquellos que dedicaban tiempo a observarlas y estudiarlas, aunque a menudo eran malinterpretados como hechiceros o magos debido al misterio que rodeaba ese conocimiento, un misterio que persiste hasta hoy. En el vasto universo de cuerpos celestiales, hay uno en particular que ha cautivado la imaginación y la curiosidad de astrónomos y soñadores: la Nebulosa Cabeza de Caballo.
La Nebulosa Cabeza de Caballo es una inmensa nube cósmica ubicada a una asombrosa distancia de aproximadamente 1,500 años luz de la Tierra. Para comprender la magnitud de esta distancia, consideremos que un año luz es la distancia que la luz recorre en un año. A pesar de la velocidad increíble de la luz, que viaja a unos 300 mil kilómetros por segundo, tarda cierto tiempo en llegar a la Tierra desde sus fuentes. Por ejemplo, la luz del Sol nos alcanza en sólo ocho minutos, mientras que desde Júpiter, nuestro vecino en el sistema solar, tarda unas horas en llegar. Ahora, si imaginamos las estrellas más cercanas, la luz de esas estrellas tarda unos años en alcanzarnos. Así que cuando mencionamos que la Nebulosa Cabeza de Caballo está a unos 1,500 años luz de nosotros, hablamos de una travesía que equivale a billones de kilómetros.
Durante años hemos soñado con descubrir los secretos de las estrellas a través de películas o relatos de ciencia ficción, imaginándonos cómo sería el universo mientras estábamos recostados en la cama. Un grupo de científicos decidió ir más allá y no conformarse con imágenes. Optaron por abordar el estudio de estos cuerpos celestes desde una perspectiva única y revelaron la intrigante composición química que los conforma. Su método fue nada más y nada menos que descomponer la luz para descifrar los secretos cósmicos que ésta oculta. Las mediciones resultantes no sólo proporcionaron datos, sino que también una suerte de “ritmo cardíaco” cósmico, una representación gráfica con picos y caídas que coincidían con las mediciones de diversas moléculas [1].
Aunque algunas mediciones identificaron sustancias químicas comunes en la Nebulosa Cabeza de Caballo, como monóxido de carbono (CO), formaldehído (HCHO) y carbono (C), una porción de los datos reveló señales enigmáticas que desconcertaron a los científicos, desencadenando así un misterio cósmico que exigía ser resuelto.
Los enigmas del universo
Enfrentados a este desafío, los científicos asumieron el papel de detectives y tejieron teorías sobre las posibles moléculas responsables de estas emisiones. Así, se sumergieron en el mundo de la química computacional, calcularon las diversas propiedades de estas señales misteriosas de estos espectros donde cada tipo de enlace o grupo funcional tiene patrones característicos, lo que permite la identificación de compuestos químicos. A través de simulaciones en supercomputadoras, rastrearon las respuestas deseadas. Finalmente, concluyeron que la molécula 36ArH+ que significa un ion positivo formado por la adición de un protón (H+) a un átomo de argón-36 (36Ar). Era el candidato más probable en la Nebulosa Cabeza de Caballo, a pesar de que esta molécula nunca se había visto en la Tierra [2]. La audaz afirmación se confirmó en 2014, cuando en un laboratorio alemán lograron sintetizar brevemente este compuesto y compararon su espectro con el observado en la Nebulosa Cabeza de Caballo. Este logro tomó aún más relevancia al considerar que el argón es un gas noble y estos elementos raramente reaccionan químicamente, lo que añade un nivel de desconcierto a este descubrimiento. Además, se comparó el espectro del compuesto sintetizado con el observado en la Nebulosa Cabeza de Caballo.
Esta búsqueda de respuestas no es simplemente un caso aislado del cosmos; más bien, refleja la esencia misma de la ciencia. Al explorar los secretos del universo, la ciencia se convierte en una versión mejorada de nuestro sentido común diario. La diferencia radica en que, mientras el sentido común se conforma con explicaciones lógicas, la ciencia se asegura de que esas explicaciones no sólo tengan sentido, sino que también coincidan con la realidad. En su constante búsqueda, la ciencia nos lleva a comprender verdades cósmicas que desafían nuestras nociones preconcebidas. Los científicos desentrañan estos espectros desafiantes que constantemente afrontan sus conceptos e ideas. Las sustancias químicas que dan forma a la diversidad de materiales en nuestro planeta representan sólo una pequeña fracción de lo que la naturaleza ha concebido en el cosmos.
Un baile de moléculas estelares
La constante búsqueda de respuestas sobre nuestros orígenes y el propósito de nuestra existencia ha llevado a los humanos a explorar incansablemente las moléculas en el espacio. Este interés ha experimentado avances notables gracias a la tecnología de telescopios más potentes y precisos. Mientras que el Observatorio Espacial Herschel de la Agencia Espacial Europea marcó un hito, la verdadera revolución ocurrió con “ALMA”, una red de 66 antenas en Chile. La innovación de ALMA nos ha proporcionado datos detallados, con miles de líneas espectrales en cada imagen, que abren nuevas perspectivas para entender las complejidades moleculares en el espacio. [3]
Al mismo tiempo, en los laboratorios los científicos trabajan para replicar las condiciones del espacio y entender la formación de moléculas, al explorar sus propiedades únicas. El espacio, con sus temperaturas extremas y variadas presiones, permite la creación de moléculas que no podrían existir en nuestro planeta. A veces pasa mucho tiempo antes de que estas moléculas reaccionen en el espacio. Al mismo tiempo, en los laboratorios, los científicos se esfuerzan por replicar las condiciones del espacio y entender la formación de estas moléculas, al explorar sus propiedades únicas. El espacio, con sus temperaturas extremas y presiones variables, se convierte en el escenario propicio para la creación de moléculas que desafían las condiciones terrestres. Sin embargo, el proceso de reacción en el espacio puede llevar mucho tiempo, a veces años, antes de que estas moléculas reaccionen en el espacio.
Este esfuerzo para entender las complejidades moleculares en diferentes partes del espacio es crucial para desentrañar los misterios que habitan en él. Durante esta exploración cósmica, nos encontramos con moléculas inesperadas, algunas incluso peligrosas para los humanos debido a su reactividad. Quizás estudiar estas moléculas en el espacio podría proporcionar pistas sobre el origen de la vida en el universo. La pregunta de si los componentes básicos de la vida se formaron en la Tierra o en el espacio aún no tiene respuesta. Sin embargo, descubrimientos recientes sugieren que los aminoácidos esenciales para la vida podrían haber estado presentes entre las estrellas [4].
Al retroceder a los primeros momentos de la Gran Explosión o Big Bang, nos encontramos con un cúmulo de energía condensada, caracterizado por una densidad y temperatura imposibles de imaginar. Surge la interrogante sobre cómo esta energía transformó todo lo que eventualmente dio lugar a las estructuras que conocemos en la actualidad. Estas consideraciones sobre los primeros momentos del universo siempre han desafiado los límites de nuestro pensamiento. En aquel antiguo cosmos, todo estaba en constante movimiento, dando lugar a una mezcla inestable donde las moléculas colisionaban regularmente y al hacerlo, formaban diversos arreglos químicos. En esa época hace aproximadamente 13.8 mil millones de años, los “componentes elementales” diferían significativamente de las moléculas actuales. En lugar de los átomos pesados que conocemos, los bloques de construcción primordiales eran mucho más simples, como el hidrógeno (H). Al descubrir que los átomos están formados por protones, neutrones y electrones, se reveló que, esencialmente, todas las moléculas son variaciones del hidrógeno. Comprender esto es crucial, ya que la identidad de un átomo se determina por la cantidad de protones que contiene.
Estructurado, caótico y único
En la Tierra, las moléculas clave para la vida son aquellas como el agua, el ADN y los aminoácidos. Estas sustancias desempeñan un papel esencial en todos los seres vivos y son fundamentales para los procesos biológicos. Sin embargo, cuando miramos al espacio, todo cambia. Las moléculas que dominan en el cosmos, como el 36ArH+ en la Nebulosa Cabeza de Caballo, nos muestran que el universo tiene una química totalmente distinta.
A pesar de lo asombroso que pueda parecer, el espacio, con sus temperaturas extremas y presiones singulares, crea un entorno único para la formación de moléculas que desafían nuestra comprensión. En el universo el tiempo transcurre de manera diferente, antes de que una molécula reaccione con otra en el vasto espacio que las separa. Sin embargo, algunas de estas colisiones propició la unión de diversas estructuras y dio origen a los primeros enlaces químicos. Un claro ejemplo de este proceso es la creación del helonio (HeH+), la primera molécula abundante en el universo [5].
El helio desempeña un papel clave en esta narrativa, y la explicación radica en su posición en la tabla periódica. Al ser un gas noble lo que significa que tiene una configuración electrónica completa en su capa externa, que los hace menos propensos a participar en reacciones químicas, el helio requiere una cantidad significativa de energía para liberar un electrón, mucho más que otros elementos. Dicha característica única lo convierte en el protagonista de esta historia. En los primeros días del universo, los núcleos de helio capturaron electrones mucho antes que los núcleos de hidrógeno o litio pudieran hacerlo. Aunque hoy en día se considere que el helio es poco propenso a unirse con otros elementos, en el universo primitivo el helio era prácticamente la única opción disponible para formar enlaces químicos, debido a su disposición única de electrones.
En los años 70, varios científicos se aventuraron con la idea de encontrar HeH+ cerca de estrellas moribundas. Pero no fue sino hasta principios de 2000 que éste fue hallado en la nebulosa planetaria NGC 7027. El descubrimiento fue un hito en nuestra comprensión del cosmos. El helonio resultó esencial para crear moléculas como agua y etanol. Hasta la fecha, se han identificado más de 200 especies moleculares extraterrestres en el espacio, incluyendo al helonio a la lista. El universo es el laboratorio más antiguo y las moléculas fueron esenciales para los experimentos.
La llave maestra
La Astroquímica, en la actualidad, es un campo de estudio en constante crecimiento, y está en la mira de la comunidad científica como nunca antes. Su propósito es desentrañar los secretos de las moléculas en el espacio, es decir su formación y papel tanto en el universo como en nuestro propio planeta. La identificación de estas moléculas espaciales no sólo promete una riqueza de información, sino que también abre la puerta a posibles beneficios desde la síntesis de nuevos materiales hasta el desarrollo de tecnologías en campos como la medicina y energía, si los científicos logran replicarlas en laboratorios y explorar sus propiedades únicas. [6]
Sabemos que aquellos exploradores que se aventuraron en la búsqueda de conocimientos sobre los fascinantes cuerpos celestes y observaban los sutiles cambios en el paisaje nocturno, son más valorados en la actualidad. A medida que exploramos el cosmos en busca de respuestas, desciframos el lenguaje cósmico que revela la presencia de moléculas insólitas y asombrosas en los rincones más remotos. Cada nuevo hallazgo nos acerca más a la comprensión del universo, y al mismo tiempo, a través de las huellas químicas nos narra una fascinante historia en constante evolución. Y lo más emocionante está por venir, ya que telescopios espaciales como SOFIA, el Hubble y el telescopio espacial James Webb se preparan para revelar aún más secretos en el universo.
Referencias
[1] Barlow, M. J.; Swinyard, B. M.; Owen, P. J.; Cernicharo, J.; Gomez, H. L.; Ivison, R. J.; Krause, O.; Lim, T. L.; Matsuura, M.; Miller, S.; Olofsson, G.; Polehampton, E. T., Science, (2013). 342(6164), 1343–1345. doi:10.1126/science.1243582
[2] Huang X., Schwenke D. W., Lee T. J., Accounts of Chemical Research, (2021) 54(6), 1311-1321 doi: 10.1021/acs.accounts.0c00624
[3] Puzzarini C., Frontiers in Astronomy and Space Sciences, (2020) 7, doi: 10.3389/fspas.2020.00019
[4] Oba, Y., Takano, Y., Furukawa, Y., Nat Commun, (2022) 13, 2008. doi: 10.1038/s41467-022-29612-x.
[5] Güsten, R., Wiesemeyer, H., Neufeld, D., Nature, (2019) 568, 357–359. doi: 10.1038/s41586-019-1090-x
[6] Weaver. S. L. W., Fortenberry, R. C., Accounts of Chemical Research 2021 54 (6), 1309-1310 doi: 10.1021/acs.accounts.1c00105.
Vórtice, enero-mayo 2021 es una publicación trimestral digital editada por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM), a través de la Dirección de Publicaciones y Divulgación, Edificio 59 (Facultad de Artes), Campus Norte. Av. Universidad 1001, Col. Chamilpa, CP 62209, Cuernavaca, Morelos, México. Teléfono +52 777 329 7000, ext. 3815. Correo: revistavortice@uaem.mx. Editora responsable: Jade Gutiérrez Hardt. Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2014-070112203700-203, ISSN 2395-8871, ambos otorgados por el Instituto Nacional del Derecho de Autor.
Responsable de la última actualización de este número: Roberto Abad, Av. Universidad 1001, Col. Chamilpa, CP 62209.
Vórtice está incluida en el Índice de Revistas Mexicanas de Divulgación Científica y Tecnológica del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt). Publica artículos de divulgación relacionados con las ciencias y las humanidades, y textos breves que transmitan el gusto por el conocimiento científico. El contenido de los artículos es responsabilidad de cada autor. Esta revista proporciona acceso abierto inmediato a su contenido, con base en el principio de ofrecer al público un acceso libre a las investigaciones para contribuir a un mayor intercambio global de conocimientos. Se distribuye bajo una licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial 4.0 Internacional License.
