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Astroquímica: un apasionante campo interdisciplinar.
Hace algunos meses estuve hablando con un bioquímico acerca de nuestras respectivas disciplinas.
En un momento de la conversación, el bioquímico se mostró sorprendido de la cantidad de técnicas
de observación en Astrofísica que le resultaban familiares. Reconocía el nombre de muchas de las
herramientas de las que se sirve un astrofísico para estudiar las distantes galaxias, estrellas y
planetas. El “lenguaje común” que estábamos usando los dos no era otro que el de la
espectroscopía.
Esta técnica, empleada en muchos campos de la Física y la Química, consiste en la detección de
moléculas o átomos a partir de las “huellas dactilares” que estos imprimen en la radiación que
emiten o que absorben, que no son otras que un patrón de líneas características. Dependiendo de la
frecuencia (o equivalentemente de la longitud de onda) de la radiación donde se hallen estas líneas,
podemos hablar de espectroscopía infrarroja, ultravioleta, visible...
La técnica empezó a usarse pronto en el análisis químico desde su invención e incluso en la
búsqueda de nuevos elementos de la tabla periódica. Curiosamente el primer elemento descubierto
gracias a ella no se hallaba en la Tierra. Fue el astrónomo británico Lockyer quien descubrió el helio
en el Sol, bautizando así el elemento por el nombre griego del astro rey, Helios.
La espectroscopía constituye una ventana asombrosa al estudio del Cosmos, pues nos permite saber
cuál es la composición química del Sol, de las estrellas, de los planetas, las nebulosas e incluso (y
cada vez con mayor resolución) de las galaxias. Esto permite poner a prueba numerosos modelos
sobre las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas y la síntesis de los elementos químicos (la
nucleosíntesis), las condiciones físicas de las estrellas y la posible existencia de planetas a su
alrededor y la historia de la formación de las grandes estructuras como los cúmulos globulares y las
galaxias.
Sin embargo, la mayoría de los estudios sobre la composición de los cuerpos celestes se centró en
saber de qué elementos estaban hechos. No fue hasta hace relativamente poco que los astrofísicos y
un creciente número de químicos se han interesado por las moléculas presentes en el medio
espacial. Recientemente se ha empezado a aplicar toda una serie de técnicas teóricas y
observacionales al estudio de qué moléculas hay en el espacio y qué tipo de reacciones químicas
las originan y se dan entre ellas. Entre ellas destacan las que desarrollan proyectos como ALMA en
Chile o IRAN en Granada. Se trata de radiotelescopios, o antenas que escudriñan el cielo en la
frecuencia de ondas de radio, para analizar las moléculas en diversas regiones del Cosmos, a partir
de sus huellas en el espectro. Estos estudios han dado lugar a la ciencia de la Astroquímica.
Al estar las estrellas como el Sol a temperaturas de decenas de millones de grados en el interior de
sus hornos nucleares, la materia se encuentra en forma de plasma de núcleos y electrones, con lo
cual sólo podríamos esperar encontrar especies moleculares en la parte más externa y fría de la
estrella, la atmósfera. Allí las temperaturas son más bajas y es posible la existencia de los enlaces
que mantienen unidos a los átomos en las moléculas. En algunas estrellas frías, las atmósferas
pueden presentar una química rica en compuestos de carbono, oxígeno e hidrógeno, que se
aglutinan formando granos de polvo.
La formación y composición exacta de estos granos en la atmósfera de una estrella de baja masa
(de hasta 8 masas solares) en los estadios finales de su evolución, está rodeada de incertidumbres y
no se comprende bien el mecanismo del proceso de formación, aunque se tienen indicios de que los
silicatos y algunos óxidos como los de aluminio están presentes y desempeñan un papel importante.
La formación del polvo en las estrellas al final de su vida origina los llamados vientos estelares,
La Separata. Junio de 2015. ISSN: 2444-7668
que producen la pérdida y diseminación de la materia estelar, esparciendo las capas externas de la
atmósfera y dando lugar a la formación de nebulosas planetarias, como las que muestra la figura.
Nebulosa planetaria NGC 6543. Wikipedia. Creative commons.
Este proceso de diseminación del material de las capas externas de la estrella, contribuye a
enriquecer el medio interestelar con compuestos químicos que entrarán a formar parte
posteriormente de las nebulosas que originan estrellas y sistemas solares. Sin embargo, incluso
antes de que las nebulosas se condensen hasta tal punto de originar estrellas y planetas, los granos
de polvo cumplen una función que fascina al astroquímico: son eficientes catalizadores de
reacciones químicas.
Durante muchos años se pensó que los aminoácidos y otras biomoléculas importantes para la vida
se habían formado como producto de reacciones químicas en las condiciones reductoras de la Tierra
primitiva. El célebre experimento de Stanley Miller de 1953, consiguió generar aminoácidos en
condiciones de laboratorio a partir de descargas eléctricas en un matraz que contenía metano,
amoníaco e hidrógeno y dio un respaldo a esa teoría. Demostró así que los aminoácidos, los
constituyentes fundamentales de las proteínas y por tanto unos de los ladrillos básicos de la
actividad biológica podían generarse en el laboratorio, recreando las condiciones de la Tierra
primitiva.
Sin embargo, actualmente sabemos que la Tierra primigenia pudo haber contenido trazas de gases
como CO2 y CO los cuales habrían podido impedir la síntesis de aminoácidos. Es por ello que el
medio de reacción idóneo para la síntesis de esos compuestos se ha desplazado al espacio exterior y
numerosas investigaciones se centran en el papel que podría desempeñar el polvo interestelar en la
síntesis de biomoléculas.
Los granos de polvo favorecerían en su superficie las reacciones entre los gases que están presentes
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en las nebulosas que surgen como resultado de la muerte de las estrellas. Sobre las superficies de los
granos tendrían lugar reacciones que gracias a las simulaciones más avanzadas de química cuántica
y a los datos espectroscópicos que recogen antenas de radiotelescopios como IRAN o ALMA,
estamos siendo capaces de comprender ahora y que apuntan a una importante actividad catalítica de
los granos. Es decir los granos de polvo acelerarían las reacciones que producen los compuestos
esenciales para la vida.
Es quizás un proyecto con fuerte participación española, NANOCOSMOS, el más importante
esfuerzo para comprender los detalles de la formación y la reactividad de los granos de polvo
interestelares. En una máquina especialmente diseñada para simular las condiciones de vacío,
radiación y abundancia de elementos químicos de las capas más externas de una estrella, intentará
reproducir el proceso de formación del polvo, así como los procesos químicos que ocurren en su
superficie y que como hemos visto constituyen la clave para entender la formación del sistema solar
y su composición química primigenia.
El proyecto es todo un ejemplo de ciencia interdisciplinar, pues agrupa a químicos físicos, físicos de
materiales y superficies y astrofísicos. Todo un ejemplo del intento de complementar las
observaciones con los experimentos de laboratorio en la Astrofísica actual.
Se han descubierto numerosas moléculas, simples o complejas, en el medio interestelar.
Algunas de ellas podrían ser incluso los ladrillos a partir de los cuales se han formado las
primeras estructuras que podríamos llamar vivas, en nuestro planeta y probablemente en otros.
También se han detectado estructuras moleculares que tienen un gran interés tanto teórico como
por sus futuras aplicaciones, como los fullerenos, C60 , forma alotrópica del carbono constituida
por 60 átomos de este elemento con forma de balón de fútbol. Fuente:NASA/jpi-caltech/t.pyle.
La Separata. Junio de 2015. ISSN: 2444-7668
Adrián Ayala Gómez es licenciado en Física por la universidad de Sevilla.
Desde 2013 pertenece al departamento de Física Teórica y del Cosmos de la Universidad de
Granada, donde realiza la tesis doctoral sobre Astrofísica. Su investigación se centra en
evolución estelar de estrellas de baja masa y su relación con partículas más allá del modelo
standard.
Para saber más sobre el tema :
Dieter Rehder. Chemistry in Space , WILEY (2010)
Web del proyecto NANOCOSMOS : http://www.icmm.csic.es/nanocosmos/
Web del proyecto alma: http://www.eso.org/sci/facilities/alma.html
La Separata. Junio de 2015. ISSN: 2444-7668
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