Un equipo internacional de científicos ha utilizado datos recopilados por el Telescopio Espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA para detectar por primera vez una molécula conocida como catión metilo (CH3+), situada en el disco protoplanetario que rodea a una estrella joven. Lograron esta hazaña con un análisis interdisciplinario de expertos, que incluyó aportes clave de espectroscopistas de laboratorio.
Esta molécula simple tiene una propiedad única: reacciona de manera relativamente ineficiente con el elemento más abundante en nuestro Universo (hidrógeno), pero reacciona fácilmente con otras moléculas y, por lo tanto, inicia el crecimiento de moléculas basadas en carbono más complejas. La química del carbono es de particular interés para los astrónomos porque toda la vida conocida está basada en el carbono. El papel vital de 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 eventualmente podrían formarse planetas capaces de acomodar la 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 en otras partes de nuestro Universo. Como tal, la química orgánica interestelar es un área de gran 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 bajas temperaturas interestelares.
El catión metilo (CH3+) es uno de esos iones basados en carbono. CH3 + ha sido postulado por los científicos como de particular importancia desde los años 1970 y 1980. Esto se debe a una propiedad fascinante del CH3+, que es que reacciona con una amplia gama de otras moléculas. Este pequeño catión es lo suficientemente significativo como para que se haya teorizado que es la piedra angular de la química orgánica interestelar, pero hasta ahora nunca se ha detectado. Las propiedades únicas del Telescopio Espacial James Webb lo convirtieron en el instrumento ideal para buscar este catión crucial, y ya un grupo de científicos internacionales lo ha observado con Webb por primera vez. 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 CH3+ se detectó en el sistema estrella-disco protoplanetario conocido como d203-506, que se encuentra a unos 1350 años luz de distancia, en la Nebulosa de Orión. Mientras que la estrella en d203-506 es una pequeña estrella enana roja, con una masa de sólo una décima parte de la del Sol, el sistema es bombardeado por una fuerte radiación ultravioleta de estrellas calientes, jóvenes y masivas cercanas. Los científicos creen que la mayoría de los discos protoplanetarios de formación planetaria pasan por un período de radiación ultravioleta tan intensa, ya que las estrellas tienden a formarse en grupos que a menudo incluyen estrellas masivas productoras de ultravioleta. Fascinantemente, la evidencia de meteoritos sugiere que el disco protoplanetario que pasó a formar nuestro Sistema Solar también estaba sujeto a una gran cantidad de radiación ultravioleta, emitida por un compañero estelar de nuestro Sol que murió hace mucho tiempo (las estrellas masivas arden intensamente y mueren mucho más rápido que las estrellas menos masivas). El factor de confusión en todo esto es que la radiación ultravioleta se ha considerado durante mucho tiempo puramente destructiva para la formación de moléculas orgánicas complejas, y sin embargo, hay evidencia clara de que el único planeta que sustenta la 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 conectada a 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 parece tener un profundo impacto en su química. Por ejemplo, las observaciones de Webb de discos protoplanetarios que no están sujetos a una 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, explica: «Esto muestra claramente que la radiación ultravioleta puede cambiar completamente la química de un disco protoplanetario. En realidad, podría desempeñar un papel crítico en las primeras etapas químicas de los orígenes de la vida al ayudar a producir CH3 +, algo que quizás se haya subestimado anteriormente».
Aunque la investigación publicada ya en la década de 1970 predijo la importancia de CH3 +, anteriormente 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», lo que significa que la geometría de la molécula es tal que su carga eléctrica está permanentemente desequilibrada, dando a la molécula un «final» positivo y negativo. 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. Teóricamente sería posible observar líneas espectroscópicas emitidas por CH3+ en el infrarrojo, pero la atmósfera de la Tierra hace que sean esencialmente imposibles de observar desde la Tierra. Por lo tanto, era necesario utilizar un telescopio espacial suficientemente sensible que pudiera observar señales en el infrarrojo. Los instrumentos NIRSpec, parte de la contribución europea a Webb’s, y MIRI, la mitad de los cuales fue aportado por Europa, fueron perfectos para el trabajo. De hecho, una detección de CH3 + había sido tan difícil de alcanzar 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 cuatro semanas, aprovechando la experiencia de un equipo internacional con una variada gama de experiencia.
El descubrimiento de CH3+ solo fue posible 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 y evolución de nuestro universo local. Marie-Aline Martin agrega: «Nuestro descubrimiento solo fue posible porque astrónomos, modeladores y espectroscopistas de laboratorio unieron fuerzas para comprender las características únicas observadas por James Webb».
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