“Gas on the rocks”: mezclado, no agitado

Isocianato de metilo en el espacio y en los cometas

Enlace a imagen original: https://www.eso.org/public/spain/images/eso1006a/
Nebulosa de Orión vista en el infrarrojo. Crédito: ESO/J. Emerson/VISTA. Agradecimiento: Cambridge Astronomical Survey Unit.

Uno de los errores de traducción que más me ha llamado la atención ha sido el de la expresión “on the rocks”. Nunca olvidaré aquel clásico de Hollywood en el que alguien le pide un whisky a otro personaje y le dice, “Sí, sobre la roca”… En realidad tendría que haber dicho: “Sí, sólo, con hielo”.

Igualmente curiosa es la traducción de “Shaken, not stirred” para el Martini, que trae a los traductores revueltos, aunque parece que “mezclado, no agitado” ha sido la más aceptada en las últimas apariciones de James Bond. A nosotros, la errónea expresión “sobre la roca” nos viene muy bien para hablar, no ya de whisky, sino de gas: el gas que se deposita sobre la “roca” (ya sea un grano de polvo o un cometa) y que, más tarde, puede acabar transformándose en hielo. Todo muy “on the rocks” y muy mezclado.

Detectar nuevas especies moleculares en el espacio es algo que, hoy en día, se hace con cierta normalidad. Es muy complejo, debido a que las moléculas emiten en el rango del espectro electromagnético menos energético, y por eso son necesarios instrumentos muy sensibles. Hasta hoy se ha detectado un gran número de especies moleculares, y cerca de un 30% de esas detecciones se han llevado a cabo por equipos de investigación españoles.

Una de las metas en toda investigación astroquímica es comprender cómo tienen lugar los fenómenos químicos en el espacio: ¿es importante que una molécula hallada en un cometa se encuentre también en el medio interestelar? ¿Cómo puede condicionar la mezcla de especies moleculares el surgimiento de la vida o las características futuras de un planeta? ¿Qué cantidades son necesarias? ¿Hay entonces alguna relación entre la química del Sistema Solar primitivo y la actual?

Las densas nubes interestelares son los lugares en los que se forman las estrellas y los planetas. La mayor parte de su masa es esencialmente gas molecular con una pequeña fracción de diminutos granos de polvo [1].

Por otro lado, los granos de polvo, generalmente, tienen un núcleo de silicatos sobre el que van adhiriéndose y acumulándose las moléculas de la fase gaseosa, formando mantos de hielo sobre el grano. Esto ocurre durante el colapso gravitacional de las nubes de gas y polvo, nubes a partir de las cuales se formarán nuevas estrellas y sistemas planetarios como el nuestro, dando lugar a planetas gaseosos gigantes y cuerpos rocosos como la Tierra, asteroides y cometas.

Nuestro Sistema Solar se formó hace 4.500 millones de años a partir de una nube interestelar de gas y polvo y, por lo tanto, la composición de los cuerpos que surgieron de ella está estrechamente vinculada con la composición de la nube interestelar de la que nacieron. Así pues, se considera que, por ejemplo, la superficie helada de los cometas es un repositorio de información que nos habla de la composición del gas y el polvo que había en la nebulosa solar primitiva.

El cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko y la nube de Orión

El análisis reciente de la composición de la superficie helada del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko [2] por parte de su aterrizador, Philae, reveló la existencia de un número importante de moléculas orgánicas complejas, la mayoría de ellas ya detectadas en fase gaseosa en nubes interestelares.

Pero entre las especies detectadas en la superficie del cometa había una que no había sido observada previamente en nubes interestelares: el isocianato de metilo (CH3NCO).

Philae detectó la molécula con un espectrógrafo de masas, pero para detectar una especie molecular sobre un cometa se utilizan técnicas distintas a las que se usan en el medio interestelar. De hecho, para confirmar su presencia en el medio interestelar, había que realizar un concienzudo análisis que consiste en obtener el espectro rotacional de las moléculas en el laboratorio de espectroscopía molecular, de manera que pudieran obtenerse frecuencias y líneas correspondientes a esa molécula.

Tras un arduo trabajo de laboratorio que empezó en 2010, un equipo internacional de investigación, liderado por José Cernicharo (del Grupo de Astrofísica Molecular del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)), ha descubierto, en las nubes de Orión, el isocianato de metilo. De hecho, a partir de este trabajo de observación, llevado a cabo con los datos obtenidos con el radiotelescopio IRAM 30-metros y el interferómetro ALMA, se han caracterizado y detectado cerca de 400 líneas de esta molécula.

Este resultado, junto con análisis previos de otros cometas estudiados desde tierra, ha conducido al desarrollo de un importante trabajo en la búsqueda de una posible conexión entre abundancias moleculares interestelares y cometarias.

CH3NCO

El isocianato de metilo (CH3NCO) podría desempeñar un importante papel prebiótico en la formación de péptidos que podrían tener un papel significativo en la evolución química de la Tierra primitiva. Se sabe que, a temperatura ambiente, el metil isocianato reacciona con agua y con muchas sustancias que contienen grupos N-H o grupos O-H [3], comunes en la fase gaseosa en Orión.

Aunque es una molécula potencialmente relevante en la química del medio interestelar, hasta el momento no había sido incluida en ningún modelo químico y su detección no se ha dado a conocer hasta ahora en revistas astrofísicas. Sin embargo, tal y como afirma Cernicharo, “Intuimos su presencia por similitud con otras especies detectadas previamente y, finalmente, la confirmamos. Para nuestra sorpresa, es una de las moléculas más abundantes con un grupo metilo y un grupo isocianato”.

La región de formación de estrellas masivas de Orión es el prototipo de “núcleo caliente”, las zonas más prometedoras para buscar CH3NCO. Su parte más activa es la nebulosa Kleinmann-Low (Orión-KL) donde un grupo de estrellas recién nacidas, profundamente embebidas en la región, interactúa con su material circundante: el hecho de que se haya detectado en núcleos calientes y no en nubes oscuras y frías sugiere una química dominada principalmente por la actividad en los mantos de los granos de polvo. Es decir, la evaporación de los mantos de hielo de los granos de polvo produce una química muy rica, al mezclarse las moléculas de gas originales con las que surgen de esa evaporación.

Por otro lado, se supone que la superficie congelada de los cometas mantiene la memoria de la composición de los granos de polvo de la nebulosa solar primitiva. Estos granos de polvo, si son similares a los de Orión, expulsarán las moléculas tan pronto como se calienten por la radiación o por los impactos con los rayos cósmicos.

Será de gran interés observar la coma del cometa para conocer las abundancias de las especies de la fase gaseosa y obtener información sobre cómo se han identificado moléculas que han sobrevivido a la eyección de la superficie del cometa. Además, es fundamental llevar a cabo experimentos de laboratorio sobre hielos para conocer los procesos de formación de CH3NCO en estas superficies. Conocer su composición original nos ayudará a saber más sobre cuáles son las condiciones necesarias para que surjan sistemas parecidos al nuestro, sistemas que empiezan siendo, simplemente, “gas on the rocks”.

 


Caracterizar en laboratorio

En 2006, este equipo de investigación inició un sondeo profundo de líneas en el dominio milimétrico (80-280 GHz) de Orión KL con el radiotelescopio IRAM 30m con el objetivo de caracterizar completamente su composición química. Sin embargo, debido a la alta temperatura cinética del gas [4], muchos niveles rotacionales y vibracionales de especies abundantes están poblados y producían un bosque de líneas espectrales (es decir, había una enorme cantidad de información “superpuesta”, difícil de descifrar).

El número de líneas no identificadas era demasiado grande para realizar una búsqueda realista de nuevas especies moleculares. Inicialmente se detectaron alrededor de 15.000 líneas espectrales de las cuales 8.000 eran desconocidas. Fue necesario iniciar un trabajo sistemático en los laboratorios espectroscópicos para caracterizar todos los isotopólogos y los estados vibracionalmente excitados de las especies más abundantes en Orion-KL con el fin de identificar las líneas desconocidas.

Se caracterizaron numerosos isotopólogos y estados vibracionales en el laboratorio, identificándolos posteriormente en los datos y reduciendo el número de líneas no identificadas a 4.000, algunas de ellas particularmente fuertes [5].

De las 523 líneas esperadas de CH3NCO en los datos obtenidos por el equipo, 282 se encuentran sin mezclar con otras y 119 se mezclan parcialmente con otras especies (sin que esto impida identificarlas sobre el perfil de la línea). Las otras 122 líneas se mezclan completamente con líneas de otras especies más abundantes, la mayoría de ellas en el dominio de longitudes de onda de 1,3 mm (197-280 GHz), donde la densidad de líneas en Orión crece enormemente.


 

Notas:

[1] La fracción de granos de polvo es de ~1/200. La especie molecular más abundante es el hidrógeno molecular (H2), seguida del CO. A esta lista se suman más de 180 moléculas complejas en distintas proporciones.

[2] El experimento COSAC (Cometary Sampling and Composition) a bordo del aterrizador Philae de la misión Rosetta, ha medido in situ las abundancias de los principales componentes de la superficie del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko.

[3] CH3NCO fue la responsable de las muertes en el desastre industrial de Bhopal.

[4] TK ~ 100-300 K

[5] Un gran número de isotopólogos que contienen 13C, 15N, 18O y estados vibracionalmente excitados de especies como CH2CHCN, CH3OCOH, CH3CH2CN, y NH2CHO entre otras, fueron completamente caracterizadas en el laboratorio e identificadas en los datos. También se detectaron nuevas moléculas tales como amonio, NH3D+, acetato de metilo, CH3COOCH3 y metil etil éter, CH3OCH2CH3.

 

Más información:

Este trabajo ha sido presentado en el artículo “A rigorous detection of interstellar CH3NCO: An important missing species in astrochemical networks”, publicado en la revista Astronomy and Astrophysics, y sus autores son José Cernicharo (Grupo de Astrofísica Molecular, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), CSIC, España); Zbigniew Kisiel (Laboratorio de espectroscopía milimétrica y submilimétrica, Instituto de Física, Academia Polaca de Ciencias, Polonia); Belén Tercero (Grupo de Astrofísica Molecular del ICMM, CSIC, España); Lucie Kolenisková (Grupo de Espectroscopía Molecular (GEM), Área de Química-Física, Laboratorios de Espectroscopia y Bioespectroscopia, Universidad de Valladolid (UVa)-Unidad Asociada CSIC, España); Ivan R. Medvedev (Departamento de Física, Universidad del Estado de Ohio, Columbia, EE.UU.); Alicia López (Grupo de Astrofísica Molecular del ICMM, CSIC, España); Sarah Fortman (Departamento de Física, Universidad del Estado de Ohio, Columbia, EE.UU.); Manfred Winnewisser (Departamento de Física, Universidad del Estado de Ohio, Columbia, EE.UU.); Frank C. De Lucia (Departamento de Física, Universidad del Estado de Ohio, Columbia, EE.UU.); José Luis Alonso (GEM-UVa, Unidad Asociada CSIC, España); y Jean-Claude Guillemin (Instituto de Ciencias Químicas de Rennes, Escuela Superior Nacional de Química de Rennes, CNRS, Francia).

Imágen de cabecera:
Nebulosa de Orión vista en el infrarrojo.
Crédito: ESO/J. Emerson/VISTA. Agradecimiento: Cambridge Astronomical Survey Unit
Enlace a imagen original.

Vídeo:
Impresión artística que nos lleva en un viaje en 3D por la nebulosa de Orión. Crédito: ESO/M. Kornmesser. Enlace a vídeo original.

Esta entrada participa en LVI Carnaval de Química alojado en el blog Ese punto azul pálido de @DaniEPAP

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