Los hidrocarburos son las moléculas orgánicas más simples, formadas tan solo por hidrógeno y carbono. Constituyen una de las principales fuentes de energía del mundo moderno, ya que forman parte del petróleo, del gas natural, de la gasolina; también se encuentran en muchos materiales que usamos habitualmente, como plásticos, fibras o pinturas, e incluso caminamos sobre ellos todos los días, ya que son el componente principal del asfalto.
Pero no solo podemos encontrar hidrocarburos en nuestro planeta: desde los años 70 se sabe que los hidrocarburos están presentes en gran parte del medio interestelar, y una de las cuestiones que la astroquímica busca despejar desde entonces es cómo se forman y cuál es su comportamiento químico en ese entorno.
Para poder estudiarlos, uno de los entornos más apropiados son las regiones de fotodisociación (en inglés, PDRs, de Photodissociation Regions), zonas de transición entre el gas frío y neutro (moléculas en su mayoría) protegido de la radiación ultravioleta, y el gas atómico e ionizado, iluminado por intensos campos de ultravioleta procedentes, en su mayoría, de estrellas masivas [1].
Las regiones de fotodisociación se encuentran en muchos entornos astrofísicos y a muchas escalas espaciales, desde los núcleos de galaxias con estallidos de formación estelar a las superficies iluminadas de los discos protoplanetarios. Todas ellas muestran una química cuya característica común es la fotodisociación de moléculas causada por la radiación ultravioleta.
El ejemplo más espectacular y cercano de este tipo de región de fotodisociación es la llamada Barra de Orión, que se encuentra dentro de la conocida nebulosa de Orión, situada a unos 1.300 años luz de la Tierra. La nebulosa de Orión es uno de los objetos astronómicos más estudiados de todos los tiempos: se trata de una inmensa nube de gas y polvo considerada, cariñosamente, como una guardería estelar, ya que miles de estrellas comienzan allí su vida. No es la única guardería estelar de la galaxia pero, al ser la más cercana que ha formado estrellas masivas (más de 8 veces la masa del Sol), nos ofrece la oportunidad de estudiar en detalle cómo nacen las estrellas; cómo, una vez formadas, interaccionan con el medio interestelar que las rodea; y, en particular, cómo los intensos campos de radiación ultravioleta estelares acaban por “destruir” (fotodisociar) la nube molecular donde nacieron.
La radiación ultravioleta que ioniza átomos y disocia moléculas en la Barra de Orión, procede del famoso conjunto de estrellas masivas del cúmulo del Trapecio, que toma su nombre del asterismo que forman sus cuatro estrellas más brillantes.
Al tener una química controlada por la radiación ultravioleta, en estas regiones se producen especies muy peculiares, como radicales (C2H, OH, HCO…) e iones (SO+, CO+, CH+, HOC+, etc.). Estas especies no existen de manera natural en nuestro planeta, ya que son extremadamente reactivas e inestables y rápidamente reaccionan con otras moléculas para formar nuevos compuestos más estables. Solo pueden formarse en el laboratorio bajo condiciones controladas muy específicas.
El estudio de la Barra de Orión
Con el fin de establecer los límites de la complejidad química del medio interestelar, y utilizando datos obtenidos con un barrido espectral [2] llevado a cabo con el radiotelescopio IRAM-30m (instalado en Sierra Nevada, Granada), un equipo de investigadores liderado por Sara Cuadrado (ASTROMOL, Grupo de Astrofísica Molecular del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid– CSIC) ha logrado ampliar nuestros conocimientos sobre qué moléculas existen en ambientes irradiados por fuertes campos de radiación ultravioleta y cómo se forman.
Sara nos cuenta que «Aunque la Barra de Orión es un entorno hostil donde cabría esperar que solo hubiese moléculas muy simples, las observaciones muestran un espectro con más de 500 líneas procedentes de la emisión de más de 60 moléculas diferentes que contienen de 2 a 6 átomos. Lo sorprendente es que, ¡aproximadamente el 40% de las líneas detectadas, pertenecen a hidrocarburos [3]! Con lo cual, no está de más hacer un juego de palabras y afirmar que disponemos de una zona con barra libre de hidrocarburos en Orión».
¿Pero cómo se forman estos hidrocarburos en el medio interestelar y por qué son tan abundantes? Hasta ahora, en los estudios realizados en otras regiones irradiadas por campos de radiación ultravioleta menos intensos, como la famosa Nebulosa de la Cabeza de Caballo, o en nubes interestelares difusas, los resultados obtenidos mediante el análisis de las observaciones no coincidían con los resultados teóricos obtenidos de los modelos en fase gaseosa [4]. Las abundancias medidas de hidrocarburos en esas regiones eran mucho mayores que las que predecían estos modelos. Es decir, la química en fase gaseosa no era suficiente para explicar estas altas abundancias.
Los investigadores buscaron fuentes alternativas de carbono que pudiesen estar contribuyendo a la cantidad de hidrocarburos formados a través de reacciones en el gas, y pensaron en los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs o PAHs en inglés). Los HAPs son potentes contaminantes ambientales, pero también están presentes de forma ubicua en el universo (ver imagen 2). En estas regiones, la incidencia de radiación sobre los HAPs rompería por completo la estructura cíclica de estos compuestos, formando pequeñas moléculas de hidrógeno y carbono, y contribuyendo a la cantidad de hidrocarburos formados mediante reacciones en fase gas.
Sin embargo, este equipo ha descubierto que, para explicar las altas abundancias de hidrocarburos en la Barra de Orión, no hace falta recurrir a la destrucción de HAPs (o su contribución no es la dominante) ya que las estrellas del Trapecio iluminan la región con campos de radiación ultravioleta tan intensos que el gas molecular alcanza temperaturas muy altas, con lo cual entran en acción nuevas reacciones químicas en fase gaseosa que necesitan energías muy elevadas para producirse [5].
Con esto se da un paso en más en la comprensión de los resultados y detalles de la fotodisociación en las nubes de gas, ayudándonos a mejorar nuestro conocimiento de la química del carbono interestelar y a saber más sobre cómo aumenta la complejidad química en el espacio.
Notas
[1] Generalmente, estrellas masivas de tipo OB, al menos 8 veces más masivas que el Sol y fuente principal de radiación ultravioleta en galaxias como la nuestra.
[2] Los barridos espectrales son una de las herramientas más importante en el campo de la astroquímica para estudiar el medio interestelar, dado que permiten llevar a cabo una caracterización química completa de la región objeto de estudio. En este caso, se han obtenido líneas espectrales en el rango milimétrico, uno de los de menor energía del espectro electromagnético y cuya emisión está dominada por transiciones de baja energía producida por moléculas.
[3] C2H, C4H, c-C3H2, c-C3H, C13CH, 13CCH, l-C3H, l-C3H+ y l-H2C en orden decreciente de abundancia.
[4] Estos modelos intentan simular computacionalmente las condiciones físicas y químicas de las nubes del medio interestelar, simulando cientos de reacciones químicas y procesos que se producen en las distintas regiones.
[5] Las reacciones endotérmicas (o con barreras, es decir, las que sólo tienen lugar a partir de ciertas temperaturas) en fase gaseosa entre C+, radicales y H2, pueden dominar la química y favorecer la formación de los hidrocarburos. Aun así, puede ser necesaria la fotodisociación de HAPs, carbonos amorfos hidrogenados (HACs, Hidrogenated Amorphous Carbons) y de granos muy pequeños (VSGs, Very Small Grains), así como un mayor conocimiento de la química superficial en granos carbonosos para explicar las abundancias de los hidrocarburos más complejos.
Más información
Este trabajo ha sido publicado en el artículo científico “The chemistry and spatial distribution of small hydrocarbons in UV-irradiated molecular clouds: the Orion Bar PDR” y es un estudio elaborado por S. Cuadrado (Grupo de Astrofísica Molecular del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM, CSIC); Centro de Astrobiología (CAB/CSIC-INTA); J. R. Goicoechea (Grupo de Astrofísica Molecular del ICMM-CSIC; CAB/CSIC-INTA); P. Pilleri (Université Toulouse III – Paul Sabatier, UPS- Observatoire Midi-Pyrénées, OMP – Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, IRAP); Centre national de la recherche scientifique, CNRS – IRAP, Francia); J. Cernicharo (Grupo de Astrofísica Molecular del ICMM-CSIC; CAB/CSIC-INTA); A. Fuente (Observatorio Astronómico Nacional, OAN-IGN); y C. Joblin (Université de Toulouse UPS-OMP, IRAP; CNRS, IRAP, Francia).
Natalia Ruiz Zelmanovitch (París, 1972) se dedica a la divulgación de la ciencia. Se licenció en Traducción e Interpretación (Francés/Inglés) por la Universidad de Granada y es Experta en Planificación y Gestión Cultural y Experta en Comunicación Social y Divulgación de la Ciencia. Ha trabajado en radio y televisión. Sus labores en comunicación científica se han desarrollado en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), el Centro de Astrobiología, CSIC-INTA (programa Consolider del Gran Telescopio Canarias (GTC) y programa AstroMadrid), el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) (programa Consolider ASTROMOL y NANOCOSMOS_ERC) y el Instituto de Física Fundamental (CSIC). Es miembro de la ESO Science Outreach Network en España. Ha colaborado en programas de radio como «Galaxias y Centellas» (Radio Autonómica de Canarias), «El canto del grillo” (RNE) y «Carne Cruda Radio». Cuando puede, elabora audiovisuales de divulgación científica. Es miembro de la Asociación Española de Comunicación Científica (AECC). Tiene una cuentofilia febril (http://www.cuentofilia.com/) y desde que descubrió la astrocopla vive sin vivir en sí misma. Y le encanta «El enigma Agustina».