Un equipo internacional de científicos utilizó los datos recopilados por el telescopio espacial James Webb de Nasa/ESA/CSA para detectar por primera vez una molécula conocida como catión metilo (CH3+), ubicada en el disco protoplanetario que rodea a una estrella joven. Lograron esta hazaña con un análisis experto interdisciplinario, 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 el Universo (el hidrógeno), pero reacciona rápidamente con otras moléculas y, por lo tanto, inicia el crecimiento de moléculas más complejas basadas en el carbono. La química del carbono es de particular interés para los astrónomos porque toda la vida conocida se basa en el carbono. El papel vital del CH3+ en la química del carbono interestelar se predijo en la década de 1970, pero las capacidades únicas de Webb finalmente hicieron posible observarlo, en una región del espacio donde eventualmente podrían formarse planetas capaces de albergar 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 potencialmente en otras partes de nuestro Universo. Como tal, la química orgánica interestelar es un área de profunda 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 temperaturas interestelares bajas.
El catión metilo (CH3+) es uno de esos iones a base de carbono. Los científicos han postulado que CH3+ es de particular importancia desde los años 70 y 80. Esto se debe a una propiedad fascinante de CH3+, que es que reacciona con una amplia gama de otras moléculas. Este pequeño catión es lo suficientemente importante como para que se haya teorizado como la piedra angular de la química orgánica interestelar, pero hasta ahora nunca se había detectado. Las propiedades únicas del Telescopio Espacial James Webb lo convirtió 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 que «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+ fue detectada en el disco estrella-protoplanetario sistema conocido como d203-506, que se encuentra a unos 1.350 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 solo 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 que forman planetas 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. De manera fascinante, la evidencia de los meteoritos sugiere que el disco protoplanetario que pasó a formar nuestro Sistema Solar también estuvo 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 brillantemente y mueren mucho más rápido que las estrellas menos masivas.
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 relacionada con 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 la 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, señala que “esto muestra claramente que la radiación ultravioleta puede cambiar por completo la química de un disco protoplanetario”.
Aunque investigaciones publicadas ya en la década de 1970 predijeron la importancia de CH3+, antes era prácticamente imposible de detectar. Muchas moléculas en los 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, lo que le da a la molécula un «momento dipolar 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. En teoría, sería posible observar líneas espectroscópicas emitidas por CH3+ en el infrarrojo, pero la atmósfera de la Tierra hace que estas sean prácticamente imposibles de observar desde la Tierra. De este modo, 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 la cual fue aportada por Europa, eran perfectos para el trabajo. De hecho, una detección de CH3+ había sido previamente tan esquiva 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 breves semanas, aprovechando la experiencia de un equipo internacional con una amplia gama de conocimientos.
El descubrimiento de CH3+ fue posible solo 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 de nuestro universo local. y evolución. Marie-Aline Martin agrega que «nuestro descubrimiento solo fue posible porque los astrónomos, modeladores y espectroscopistas de laboratorio unieron fuerzas para comprender las características únicas observadas por James Webb».
