¿Viene la vida del espacio? Fotoquímica en el medio interestelar

Autor: Gonzalo Santoro, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

El medio interestelar es un lugar frío, inhóspito y eminentemente vacío. Parece difícil imaginar, por tanto, que estas regiones del espacio presenten una química rica y compleja. Sin embargo, es posible que en las denominadas nubes moleculares densas se hayan formado moléculas esenciales para la vida tales como los aminoácidos. De hecho, el aminoácido más simple, la glicina, se detectó por primera vez en el medio interestelar hace casi veinte años [1], aunque sigue siendo el único que se ha detectado en el espacio.

El medio interestelar está constituido por la materia – fundamentalmente hidrógeno y helio – y la radiación que existe entre las estrellas. Es éste un medio extremadamente diluido con densidades medias de 1 partícula por cm3, llegándose en determinadas regiones a presiones de tan sólo 10-4 partículas por cm3. De entre los distintos entornos del medio interestelar, las nubes moleculares densas ­– masas de gas y polvo a temperaturas de entre 10 K y 20 K­ – son las regiones de mayor densidad con un número de moléculas por cm3 de entre 102 y 106, un número que continúa siendo minúsculo si lo comparamos con la densidad de moléculas de la atmósfera terrestre, que es de 1019 moléculas por cm3.

En estas condiciones, las moléculas en fase gas condensan sobre la superficie del polvo disperso en las nubes moleculares, de manera que los granos de polvo se encuentran recubiertos de hielo. Así, los granos de polvo interestelar actúan como puntos de nucleación del hielo interestelar de manera que localmente se alcanza una concentración de moléculas suficiente como para que interaccionen.

Estos hielos están compuestos mayoritariamente por agua, dióxido y monóxido de carbono y metanol, junto con metano, amoníaco, formaldehído y ácido fórmico en menores cantidades. Todas estas moléculas, se formaron directamente en fase gas en las etapas más tardías de la vida de las estrellas y fueron expulsadas al medio interestelar junto con el polvo cósmico, que también se formó principalmente en estrellas moribundas, y que se compone en su mayor parte de carbono hidrogenado, carburo de silicio y silicatos.

No obstante, a pesar de que localmente la concentración de moléculas en los hielos interestelares es muy superior a la que presenta la materia gaseosa de las nubes moleculares, la energía térmica no es suficiente para promover reacciones químicas y es aquí donde la fotoquímica entra en juego.

Como se ha comentado previamente, el medio interestelar no es sólo materia sino también radiación y las nubes moleculares están sometidas a una intensa radiación cósmica (rayos gamma) y a radiación ultravioleta. Estas radiaciones son lo suficientemente energéticas como para iniciar y sostener reacciones químicas en los hielos de las nubes moleculares densas.

Hace casi dos décadas – y sólo un año antes de que la glicina se detectara en el espacio – se demostró en el laboratorio la síntesis de aminoácidos a partir de la irradiación ultravioleta de mezclas de hielos análogas a las del medio interestelar [2]. De hecho, esos experimentos observaron no sólo la síntesis de glicina, sino también de aminoácidos más complejos como la serina o el ácido aspártico. Más recientemente, se ha observado en el laboratorio que la fotoquímica de hielos análogos a los del medio interestelar puede dar lugar a la síntesis de azúcares, incluida la ribosa, una de las unidades moleculares del ARN [3]. Así, la simulación en el laboratorio de las condiciones y procesos del medio interestelar constituye una herramienta fundamental para la astroquímica y, además, ayuda enormemente a los astrónomos a centrar sus observaciones del espacio.

Los pilares de la creación (izquierda) es una de las fotografías más icónicas del telescopio espacial Hubble. Estas masas de gas y polvo (nubes moleculares) se encuentran en la nebulosa del Águila a unos 6500 años luz de la Tierra. Para simular estos entornos espaciales, en el grupo ESISNA, hemos diseñado y construido una máquina de ultra alto vacío (derecha) que nos permite investigar mecanismos plausibles para la formación de moléculas biológicas en el espacio.

En el grupo ESISNA del ICMM, dentro del proyecto europeo Nanocosmos, hemos diseñado y construido una máquina para estudiar en el laboratorio la formación de polvo cósmico en estrellas evolucionadas, es decir, en las últimas etapas de su vida, así como los procesos que experimenta el polvo cósmico en el espacio [4, 5]. Esta máquina – denominada Stardust por razones obvias –  tiene un módulo específico para simular la formación y el procesado de hielos de interés astrofísico, permitiendo investigar, entre otras cosas, la fotoquímica de hielos en las condiciones que se dan en las nubes moleculares densas.

Con este módulo estamos investigando actualmente la incorporación de oxígeno y nitrógeno a hidrocarburos alifáticos – empezando por los más sencillos, es decir, los alcanos – mediante irradiación ultravioleta en mezclas de hielos análogas a las que podrían encontrarse en las nubes moleculares. Muy recientemente, la misión Rosetta ha confirmado la presencia de hidrocarburos alifáticos en cometas, incluyendo alcanos lineales hasta el heptano [6, 7]. La composición molecular de lo volátiles en los cometas es extremadamente similar a la de las nubes moleculares y, por tanto, a pesar de que aún no se hayan detectado alcanos en el medio interestelar, es muy probable que existan. De hecho, simulando en nuestro laboratorio la formación de polvo cósmico en estrellas evolucionadas ricas en carbono, que son las que sintetizan hidrocarburos, ­hemos demostrado que estas estrellas generan predominantemente material alifático [4], que posteriormente es expulsado al medio interestelar y se dispersa por el espacio. Por desgracia, la detección de alcanos en el medio interestelar no es trivial, ni mucho menos; en el caso de los cometas ha habido que esperar hasta que una misión espacial, la misión Rosetta, orbitara un cometa y una de sus sondas se posase sobre su superficie.

Los procesos que estamos investigando actualmente en nuestro laboratorio permiten explorar la síntesis de aminoácidos alifáticos a partir de hielos de alcanos y validar mecanismos plausibles para la formación en el espacio de moléculas biológicas prebióticas, contribuyendo de esta forma a aumentar nuestro conocimiento sobre cómo pudo empezar la vida en la Tierra. Quizá no seamos sólo polvo de estrellas sino también hielo interestelar.

Referencias

[1] Kuan, Charnley, Huang et al. Interstellar Glycine, The Astrophysical Journal 593, 848 (2003).

[2] Muñoz-Caro, Meierhenrich, Schutte et al. Amino acids from ultraviolet irradiation of interstellar ice analogues, Nature 416, 403 (2002).

[3] Meinert, Myrgorodska, Marcellus et al. Ribose and related sugars from ultraviolet irradiation of interstellar ice analogs, Science 352, 208 (2016).

[4] Martínez, Santoro, Merino et al. Prevalence of non-aromatic carbonaceous molecules in the inner regions of circumstellar envelopes, Nature Astronomy 4, 97 (2020).

[5] Santoro, Martínez, Lauwaet et al. The chemistry of cosmic dust analogues from C, C2, and C2H2 in C-rich circumstellar envelopes, The Astrophysical Journal (accepted) arXiv:2005.02902.

[6] Schuhmann, Altwegg, Balsiger et al. Aliphatic and aromatic hydrocarbons in comet 67P/Churyumov-Gerasimenko seen by ROSINA, Astronomy & Astrophysics 630, A31 (2019).

[7] Raponi, Ciarniello, Capaccioni et al. Infrared detection of aliphatic organics on a cometary nucleus, Nature Astronomy 4, 500 (2020).

Contacto

Gonzalo Santoro, Investigador del Grupo ESISNA del Programa FotoArt-CM, gonzalo.santoro@icmm.csic.es

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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La ciencia que estudia todo aquello que pueda generar vida fuera de nuestro planeta, ahora tiene más herramientas gracias al avance tecnológico, donde aplican conceptos ayudados de aparatos capaces de lograr las reacciones que suceden en el universo, con su infinidad de partículas complejas capaces de generar las sustancias o moléculas a las cuales llamamos moléculas vitales. Ahora somos capaces de generar una simulación en el laboratorio de las condiciones y procesos del medio interestelar.

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