NASA JET PROPULSION LABORATORY/SPACE SCIENCE INSTI

La historia tras la formación de la mezcla química en la atmósfera de Titán -la mayor luna de Saturno-, rica en nitrógeno, hidrocarburos y otros compuestos, ha sido fuente del debate científico.

Pero ahora, un equipo de científicos cree haber descubierto el origen de la formación de esta mezcla química compleja en un mecanismo químico a baja temperatura.

Este hallazgo va en contra de las teorías que afirman que los mecanismos de reacción a alta temperatura son necesarios para producir la composición química que diferentes misiones satelitales han observado en la atmósfera de Titán.

El trabajo es una colaboración entre científicos de la División de Ciencias Químicas en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía; de la Universidad de Hawaii, en Manoa; la Universidad de Samara, en Rusia; y la Universidad Internacional de Florida, que se ha publicado en la edición de este lunes de la revista ‘Nature Astronomy’.

Para la investigación, el equipo utilizó experimentos de luz ultravioleta al vacío en la Fuente de Luz Avanzada (ALS) de Berkeley Lab, junto con simulaciones por computadora y trabajos de modelado para demostrar las reacciones químicas que contribuyen a la química atmosférica actual de Titán.

El benceno, un hidrocarburo simple con una estructura molecular de un solo anillo de seis carbonos, se ha detectado en Titán y se cree que es un bloque de construcción para moléculas de hidrocarburos más grandes con estructuras de dos y tres anillos que, a su vez, forman otros hidrocarburos y partículas de aerosol que ahora conforman la atmósfera de Titán. Estas moléculas de hidrocarburos de múltiples anillos son conocidas como hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP).

En el estudio, los investigadores mezclaron dos gases: un HAP de dos anillos de corta vida conocido como naftaleno (C10H7) y un hidrocarburo llamado viniloacetileno (C4H4) en la Fuente de Luz Avanzada (ALS) de Berkeley Lab, y produjeron durante el proceso HAPs de tres anillos. Después, midieron la masa de fragmentos moleculares producidos en la reacción de los dos gases. Esas mediciones proporcionaron detalles sobre la química de los HAPs de tres anillos (fenantreno y antraceno).

Mientras que los experimentos del ALS utilizaron un reactor químico para simular la reacción química y un haz de luz ultravioleta de vacío para detectar los productos de la reacción, los cálculos de apoyo y las simulaciones mostraron que los productos químicos formados en los experimentos no requieren altas temperaturas.

Los HAP, como los productos químicos estudiados en la ALS, tienen propiedades que los hacen particularmente difíciles de identificar en el espacio profundo, según indica Ralf Kaiser, de la Universidad de Hawaii en Manoa, colíder del estudio. “De hecho, no se ha detectado ningún HAP individual en la fase gaseosa del medio interestelar”, que es el material que llena el espacio entre las estrellas, según añade.

El estudio demuestra que los HAP están más extendidos de lo previsto, ya que no requieren las altas temperaturas que están presentes alrededor de las estrellas de carbono. Se predice que este mecanismo es versátil y se espera que conduzca a la formación de incluso HAP más complejos.

Y debido a que los HAP se consideran precursores de la formación de nubes moleculares, las denominadas “fábricas moleculares” de moléculas orgánicas más complejas, que pueden incluir los precursores de la vida tal como la conocemos, esto podría abrir teorías y nuevos modelos de cómo el carbono –que contiene material en el espacio profundo y en las ricas atmósferas de los planetas y sus lunas en el Sistema Solar– evoluciona y se origina.

PREDECIR LA REACCIÓN QUÍMICA EN OTRAS CONDICIONES

Por su parte, el profesor de química en la Universidad Internacional de Florida, también colíder del estudio, Alexander M. Mebel, realizó cálculos que mostraron cómo los reactivos pueden unirse naturalmente y formar nuevos compuestos a temperaturas muy bajas.

“Nuestros cálculos revelaron el mecanismo de reacción –explica Mebel–. Demostramos que no necesita ninguna energía para impulsar la reacción del naftilo y el vinilacetileno, por lo que la reacción debería ser eficiente incluso en las condiciones atmosféricas de baja temperatura y baja presión en Titán”.

Asimismo, fue clave para el estudio el modelado detallado de la celda del reactor donde se mezclaron los gases, que ayudó a predecir los productos químicos producidos en las reacciones y la temperatura y la presión de la cámara donde se mezclaron los gases.

“Esta verificación del modelo, al compararlo con experimentos, también puede ser útil para predecir cómo se desarrollaría la reacción en diferentes condiciones, desde la atmósfera de Titán hasta las llamas de combustión en la Tierra”, asegura el científico.

Según concluye Kaiser, un objetivo continuo de la investigación es desentrañar los detalles de cómo los compuestos que contienen carbono con estructuras similares al AND y al ARN pueden desarrollarse incluso en ambientes extremos.

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