Por fin se encuentran en el espacio las primeras moléculas del universo

Unos 380 000 años después del Big Bang, el plasma que formaba nuestro universo se enfrió lo suficiente como para que núcleos y electrones empezaran a combinarse. El helio fue el primer átomo en formarse, y estos átomos de helio pronto empezaron a enlazarse con protones para dar lugar a la primera molécula del universo, el hidruro de helio (HeH⁺).

Aunque los químicos sintetizaron el HeH⁺ en el laboratorio ya en 1925, hubo que esperar a 1970 para que los químicos sugirieran que este compuesto podría encontrarse en el medio interestelar del espacio. Cuatro décadas más tarde, los astrónomos finalmente lo han observado (Nature 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1090-x), y lo que han visto podría cambiar los modelos de las reacciones químicas en el espacio.

El fracaso en la detección de HeH⁺ estaba “irritando” a los científicos, dice el físico Phillip Stancil, de la Universidad de Georgia (Athens, Georgia, EEUU). Fue uno de los autores de un artículo que, en 2002, determinó que HeH⁺ era la primera molécula del universo. Stancil añade que entonces esto molestó a los científicos, pues no podían respaldar los modelos de astroquímica de los años 70 con datos experimentales. Pero ahora, dice, sí pueden.

El investigador Rolf Güsten, del Instituto Max Planck de Radio Astronomía en Bonn, Alemania, y sus colaboradores, han identificado una línea espectral característica del HeH⁺ en medidas de la nebulosa planetaria NGC 7027, uno de los lugares donde se pensaba que era más probable encontrar HeH⁺. El HeH⁺ encontrado en la nebulosa no es un excedente proveniente del universo primigenio. Las nebulosas planetarias se forman después de que colapsen estrellas con un tamaño similar a nuestro sol, expulsando una capa de gas y dejando una estrella enana blanca en su centro. El HeH⁺ que observó el grupo de Günsten se formó en el interior de esa capa.

Pero algunas circunstancias complicaron los anteriores esfuerzos de observar HeH⁺, siendo el primero su relativa escasez. El equipo de investigación identificó la transición rotacional del estado fundamental de la molécula a 149.1 µm. Una transición del enlace carbono-hidrógeno a 149.09 µm a menudo enmascara esta señal, que también se encuentra oscurecida por el agua y otras moléculas de la atmósfera terrestre, haciendo muy improbables las observaciones.

No hay ningún telescopio espacial, actualmente en vuelo o previsto para el futuro, que esté diseñado para observar esta parte del espectro. En 2016, el equipo de investigación voló con un espectrómetro en un avión reconvertido operado por la NASA que transporta un telescopio por encima de la parte más gruesa de la atmósfera, a una altitud superior a 12.000 metros. El equipo de Güsten utilizó un espectrómetro heterodino, que compara la frecuencia de la luz incidente con una luz de referencia, lo que incrementa la sensibilidad. Con ello, el equipo de investigación fue capaz de distinguir la transición del HeH⁺ de las líneas C–H en los datos recogidos.

“Ha sido una larga búsqueda,” dice Jérôme Loreau, un físico que ha desarrollado modelos sobre cómo el HeH⁺ y otras moléculas se desarrollaron en el universo primitivo. Una de las razones por las que esta observación es interesante, dice, “es porque hay una discrepancia entre la abundancia predicha de HeH⁺ y la abundancia observada.” Basándose en sus observaciones, el equipo de Günsten calculó una abundancia de HeH⁺ tres veces superior a la predicha por los modelos de las reacciones químicas espaciales.

Este desajuste indica que aún hay margen para mejorar los modelos astrofísicos, dice Loreau, y Günsten está de acuerdo con esta afirmación. “Deberíamos esperar que los modelos del universo primitivo cambiaran,” añade.

Stancil no lo tiene tan claro. Dice que ya ha hecho planes con un colaborador para recalcular las velocidades de reacción de HeH⁺ a la luz de estos resultados. Pero también que en los cálculos de los investigadores se hacían una serie de suposiciones que podrían estar escondiendo algo que los científicos aún no comprenden totalmente. Aun así, explica que este descubrimiento seguramente va a estimular nuevos modelos y trabajo experimental, que podría mejorar nuestra comprensión de la química en el espacio y en el universo primitivo.

Traducido al español por Esteban Urriolabeitia para C&EN. La versión original (en inglés) de este artículo está disponible aquí.