Un equipo dirigido por investigadores del MIT ha descubierto que una nube interestelar distante es rica en pireno, un tipo de molécula grande que contiene carbono conocida como hidrocarburo aromático policíclico (PAH).
El descubrimiento de pireno en esta nube distante, que se asemeja a la colección de polvo y gas que eventualmente se convirtió en nuestro propio sistema solar, sugiere que el pireno pudo haber sido la mayor parte del carbono en nuestro sistema solar. Esta hipótesis también está respaldada por un descubrimiento reciente de que las muestras devueltas por el asteroide Ryugu, cercano a la Tierra, contienen grandes cantidades de pireno.
“Una gran pregunta en la formación de estrellas y planetas es: ¿cuánto del inventario químico se hereda de esa nube molecular primordial y forma los componentes básicos del Sistema Solar? Lo que estamos viendo es el principio y el final, y ellos’ “Estamos mostrando lo mismo: evidencia bastante fuerte de que este material de la nube molecular primordial entró en el hielo, el polvo y los cuerpos rocosos que forman nuestro sistema solar”, dice Brett McGuire, profesor asistente de química. MIT
Debido a su simetría, el pireno es invisible para las técnicas de radioastronomía que se han utilizado para detectar alrededor del 95 por ciento de las moléculas en el espacio. En cambio, los investigadores detectaron un isómero de cianopireno, una versión de pireno que reaccionó con cianuro para romper su coordinación. Utilizando el Telescopio Greenbank (GBT) de 100 metros, un radiotelescopio del Observatorio Greenbank en Virginia Occidental, se detectó la molécula en una nube distante conocida como TMC-1.
McGuire y Elsa Cooke, profesora asistente de química en la Universidad de Columbia Británica, son autores principales de un artículo que describe los hallazgos, que Ciencia. Gabby Wenzel, postdoctorada del MIT en el grupo de McGuire, es la autora principal del estudio.
Carbono en el espacio
Se cree que los HAP, que consisten en anillos de átomos de carbono unidos, almacenan entre el 10 y el 25 por ciento del carbono de la atmósfera. Hace más de 40 años, los científicos que utilizaban telescopios infrarrojos comenzaron a detectar características que se creía que estaban relacionadas con los modos de vibración de los HAP en el espacio, pero la técnica no estaba clara y podía determinar qué tipos de HAP estaban presentes.
“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 que se han encontrado en muestras de meteoritos, cometas y asteroides, pero realmente no hemos podido identificar HAP individuales”. No se puede utilizar la espectroscopia infrarroja para identificar claramente el espacio”, afirma Wenzel.
En 2018, un equipo dirigido por McGuire informó del descubrimiento de un anillo de seis carbonos unido a un benzonitrilo, un grupo nitrilo (carbono-nitrógeno), en TMC-1. Para hacer el descubrimiento, utilizaron el GBT, que puede detectar moléculas en el espacio a través de sus espectros de rotación: los patrones específicos de luz que emiten las moléculas cuando caen en el espacio. En 2021, su equipo detectó los primeros HAP individuales en el espacio: dos isómeros de cianonaftaleno, que constan de dos anillos unidos por un anillo.
En la Tierra, los HAP se encuentran comúnmente como subproductos de la quema de combustibles fósiles y también se encuentran en las marcas carbonizadas de los alimentos asados. Su descubrimiento en TMC-1, que tiene sólo 10 Kelvin, sugirió que es posible que se formen a temperaturas mucho más 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 constituyen la mayor parte del carbono que formó nuestro propio sistema solar. En 2023, investigadores de Japón encontraron grandes cantidades de pireno en muestras devueltas por el asteroide Ryugu durante la misión Hayabusa2, junto con HAP más pequeños, incluido el naftaleno.
Este descubrimiento inspiró a McGuire y sus colegas a buscar pireno en TMC-1. El pireno, que contiene cuatro anillos, es más grande que otros HAP que se encuentran en el espacio. De hecho, es la tercera molécula más grande identificada en el espacio y la más grande jamás detectada mediante radioastronomía.
Antes de encontrar estas moléculas en el espacio, los investigadores primero tuvieron que sintetizar cianopireno en el laboratorio. Es necesario un grupo ciano o nitrilo para que la molécula emita una señal que pueda ser detectada por un radiotelescopio. La síntesis fue realizada por el becario postdoctoral del MIT Shu Zhang en el grupo de la profesora asociada de química del MIT Alison Wendland.
A continuación, los investigadores analizaron las señales que emiten las moléculas en el laboratorio, que son exactamente las mismas que emiten en el espacio.
Utilizando GBT, los investigadores encontraron esta firma en todo TMC-1. McGuire dice que también encontraron que alrededor del 0,1 por ciento de todo el carbono en la nube es cianopireno, lo que parece pequeño pero es significativo si se consideran los miles de tipos diferentes de moléculas que contienen carbono en el espacio.
“Aunque el 0,1 por ciento no parece una cifra elevada, la mayor parte del carbono está atrapado en el monóxido de carbono (CO), que es la segunda molécula más abundante en el universo después del hidrógeno molecular. Si dejamos de lado el CO, uno de cada unos cuantos cientos de átomos de carbono que quedan están en pireno, imagina los miles de moléculas diferentes que hay, casi todas con diferentes átomos de carbono, y una de cada cientos está en pireno. Hay una gran abundancia. Un sumidero de carbono casi increíble. Es una isla interestelar de estabilidad”.
Ewain van Dyschweck, profesor de astrofísica molecular en el Observatorio de Leiden en los Países Bajos, calificó el descubrimiento de “inesperado y emocionante”.
“Esto se basa en sus descubrimientos anteriores de pequeñas moléculas aromáticas, pero ahora el salto a la familia de los pirenos es una tarea enorme. No sólo muestra que una fracción significativa del carbono está encerrada en estas moléculas, sino que puede tomar diferentes formas también apunta a vías aromáticas aún no comprendidas”, afirma van Dyschweck, que no participó en la investigación.
Abundancia de pireno
Las nubes interestelares como TMC-1 pueden eventualmente dar origen a estrellas, a medida que grupos de polvo y gas se fusionan en cuerpos más grandes y comienzan a calentarse. Los planetas, asteroides y cometas se forman a partir de parte del gas y el polvo que rodean a las estrellas jóvenes. 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 TMC-1, junto con la presencia de grandes cantidades de pireno en el asteroide Ryugu, sugiere que el pireno en mayo existir. Nuestro propio sistema solar ha sido la fuente de la mayor parte del carbono.
“Ahora tenemos, me atrevería a decir, la evidencia más sólida de esta herencia molecular directa de la nube fría a las rocas originales del Sistema Solar”, dice McGuire.
Los investigadores ahora planean buscar también moléculas de HAP más grandes en TMC-1. También esperan investigar la cuestión de si el pireno encontrado en TMC-1 se formó dentro de una nube fría o si provino de otras partes del universo, posiblemente de nubes de alta energía que rodean estrellas moribundas.
Esta investigación fue apoyada en parte por el Premio al Joven Investigador de la Fundación Beckman, la Fundación Schmidt Family Futures, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá, el Centro Goddard de Astrobiología y el Científico Interno de la División de Ciencias Planetarias de la NASA. Proporcionó asistencia financiera. Programa de financiación.
