Un estudiante de doctorado de Sydney ha creado polvo cósmico desde cero recreando un pequeño trozo del universo en una botella de laboratorio. El experimento proporciona nuevas pistas sobre cómo algunos de los elementos químicos asociados con la vida pueden haber evolucionado antes de que se formara la Tierra.
Linda Losurdo, candidata a doctorado en física de la materia y el plasma en la Facultad de Física, combinó nitrógeno, dióxido de carbono y acetileno para simular las condiciones energéticas que se encuentran cerca de estrellas y restos de supernovas.
Luego expuso los gases a una fuerte carga eléctrica. El proceso creó un material similar al polvo rico en carbono que flota en el espacio interestelar y se almacena dentro de cometas, asteroides y meteoritos.
Se publican los resultados Revista Astrofísica de la Sociedad Astronómica Estadounidense.
Polvo cósmico con ingredientes esenciales para la vida
El polvo de laboratorio contiene una combinación compleja de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Juntas, se conocen como moléculas CHON y se encuentran en muchas sustancias orgánicas consideradas importantes para la vida.
“Ya no tenemos que esperar a que un asteroide o un cometa llegue a la Tierra para comprender su historia”, afirmó Losurdo. “Se pueden crear entornos analógicos en el laboratorio y realizar ingeniería inversa en sus estructuras utilizando huellas dactilares infrarrojas.
“Esto puede darnos una gran idea de cómo el ‘polvo cósmico carbonoso’ puede florecer en estrellas viejas y gigantes o en viveros cósmicos donde nacen las estrellas y liberar estas fascinantes moléculas que podrían ser importantes para la vida.
“Es como si hubiéramos recreado un pedacito del universo en una botella en nuestro laboratorio”.
En el espacio, el polvo cósmico se desarrolla en condiciones extremas. Las moléculas son golpeadas repetidamente por iones y electrones, iniciando reacciones químicas que pueden formar sustancias cada vez más complejas.
Los astrónomos identifican diferentes tipos de polvo cósmico estudiando la luz infrarroja que emiten. Estas señales actúan como huellas dactilares moleculares, lo que permite a los investigadores determinar la composición química del material.
Las muestras de laboratorio de Losurdo produjeron la misma firma infrarroja distintiva que se ve en el espacio. Esa similitud indica que el experimento reproduce fielmente los procesos que se cree que ocurren en entornos cosmológicos reales.
Rastreando los orígenes de los componentes básicos de la vida
Cómo comenzó la vida en la Tierra es una de las mayores preguntas sin respuesta de la ciencia. Los investigadores continúan investigando si las primeras moléculas orgánicas se formaron en planetas jóvenes, llegaron en cometas y meteoritos, fueron liberadas mientras se estaba formando el Sistema Solar o fueron el resultado de una combinación de estas posibilidades.
Hace entre 4.560 y 3.500 millones de años, meteoritos, micrometeoritos y polvo interplanetario de asteroides y cometas golpearon repetidamente la Tierra. Los científicos creen que estos objetos transportan grandes cantidades de material orgánico a la superficie.
Sin embargo, aún no se sabe dónde se formó originalmente ese material y qué procesos lo produjeron.
“Se cree que el carbono y el hidrógeno unidos covalentemente en el material de cometas y asteroides se formaron en la envoltura exterior de las estrellas, en eventos de alta energía como las supernovas y en el entorno interestelar”, dijo la señora Losurdo.
“Lo que estamos tratando de comprender son las vías y condiciones químicas específicas que incorporan todos los elementos CHON en las complejas estructuras orgánicas que vemos en el polvo cósmico y los meteoritos”.
Recreando el espacio dentro del tubo de vidrio.
Losurdo realizó el experimento con su supervisor, el profesor David McKenzie. Los investigadores primero utilizaron una bomba de vacío para eliminar el aire del tubo de vidrio, creando condiciones que se aproximaban al vacío cercano del espacio.
Luego llenan los tubos con nitrógeno, dióxido de carbono y acetileno. Durante aproximadamente una hora, la mezcla de gases se sometió a un potencial eléctrico de aproximadamente 10.000 voltios. Esto produce un plasma llamado descarga luminosa.
Una energía intensa divide las moléculas originales. Luego, sus elementos se combinan nuevamente en estructuras químicas más grandes y complejas.
Con el tiempo, el material recién formado se deposita en los chips de silicio colocados dentro del tubo, dejando una fina capa de polvo. En algunas muestras, las partículas recolectadas se parecen a fragmentos brillantes de materia cósmica.
El coautor del estudio, McKenzie, dijo que la creación de este polvo en la Tierra brinda a los científicos acceso a condiciones que no se pueden probar directamente en el espacio.
“Al crear polvo cósmico en el laboratorio, podemos explorar los efectos de los iones y las intensidades de temperatura involucradas en la formación de polvo en el espacio”, dijo el profesor McKenzie. “Esto es importante si se quiere comprender el entorno dentro de las nubes de polvo cósmico, donde se cree que tiene lugar la química relevante para la vida.
“Nos ayuda a interpretar lo que le sucedió a un meteorito o fragmento de asteroide durante su vida. Su firma química contiene un registro de su viaje, y experimentos como este nos ayudan a aprender cómo leer ese registro”.
Construyendo una biblioteca de huellas dactilares para astrónomos
La investigación puede hacer más que aclarar cómo se formaron por primera vez las moléculas relacionadas con la vida. El equipo planea reunir una base de datos detallada de huellas dactilares infrarrojas producidas por varios tipos de polvo cósmico generado en laboratorio.
Los astrónomos pueden comparar esas firmas con observaciones de regiones de formación estelar y restos de estrellas muertas. Una señal combinada puede revelar dónde se están formando tipos específicos de polvo y ayudar a los investigadores a reconstruir los procesos físicos y químicos que ocurren allí.
La base de datos también podría mejorar la capacidad de los científicos para interpretar la historia registrada dentro de los meteoritos y fragmentos de asteroides. Su química puede preservar evidencia de la temperatura, la radiación y los efectos de las partículas que experimentaron durante sus viajes en el espacio.
Al reproducir la química cosmológica en el laboratorio, la investigación ofrece a los investigadores una nueva forma de investigar los procesos que ocurren en las profundidades del entorno estelar. También puede arrojar luz sobre algunos de los antiguos pasos químicos que eventualmente contribuyeron al surgimiento de la vida en la Tierra.
Losurdo recibió el Premio a la Mejor Presentación por este estudio en la Reunión Anual Internacional de la Sociedad Meteorológica a finales del año pasado.
Los autores no informan de intereses en competencia. Reconocen el apoyo del Nodo en Microscopía de Australia de la Universidad de Sydney y el trabajo recibió financiación del Consejo Australiano de Investigación.
