Primeiras moléculas do universo finalmente encontradas no espaço

Cerca de 380.000 anos após o Big Bang, o plasma que era nosso universo esfriou o suficiente para que os núcleos e os elétrons começassem a se combinar. O hélio foi o primeiro átomo e os átomos de hélio logo se ligaram aos prótons para formar a primeira molécula do universo, o hidreto de hélio (HeH⁺).

Embora os químicos tenham produzido HeH⁺ em laboratório já em 1925, foi apenas na década de 1970 que os cientistas sugeriram que ele poderia ser encontrado no meio interestelar do espaço. Quatro décadas depois, astrônomos relatam que finalmente o observaram (Nature 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1090-x). O que eles estão vendo pode mudar modelos de reações químicas no espaço.

A incapacidade de localizar HeH⁺ tem “irritado” cientistas, diz o físico da Universidade da Geórgia, Phillip Stancil. Ele foi um dos autores de um artigo de 2002 que estabeleceu o HeH⁺ como a primeira molécula do universo. Stancil diz que incomodou os cientistas não poderem fazer backup dos modelos da química do universo dos anos 1970 com dados experimentais. Mas agora, ele diz que podem.

Rolf Güsten, do Instituto Max Planck de Radioastronomia, e seus colegas identificaram uma característica da linha espectral de HeH⁺ em observações da nebulosa planetária NGC 7027, um dos lugares em que se acreditava que o HeH⁺ seria encontrado. O HeH⁺ da nebulosa não é deixado de fora do universo primordial. As nebulosas planetárias se formam após estrelas semelhantes em tamanho ao nosso colapso do sol, ejetarem uma camada de gás e deixarem uma estrela anã branca em seu centro. O grupo de HeH⁺ de Güsten observado se formou no interior dessa concha.

Alguns fatores complicaram os esforços anteriores para observar HeH⁺, sendo o primeiro sua relativa escassez. Os pesquisadores identificaram a transição rotacional do estado fundamental da molécula em 149.1 µm. Uma transição de ligação carbono-hidrogênio a 149,09 µm frequentemente mascara esse sinal. Também é obscurecido pela água e outras moléculas na atmosfera da Terra, tornando as observações do solo improváveis.

Nenhum telescópio espacial voador ou planejado foi projetado para observar essa parte do espectro. Assim, em 2016, os pesquisadores fizeram um espectrômetro voar em um avião convertido operado pela NASA que faz voar um telescópio acima da parte mais espessa da atmosfera, a uma altitude superior a 12.000 metros. A equipe de Güsten usou um espectrômetro heteródino, que compara a luz de entrada a uma luz de referência, uma técnica que pode aumentar a sensibilidade. Os pesquisadores conseguiram distinguir a transição de HeH⁺ das linhas C–H em seus dados.

“Tem sido uma busca longa”, diz Jérôme Loreau, um físico que desenvolveu modelos de como o HeH⁺ e outras moléculas se desenvolveram no início do universo. Uma razão pela qual essa observação é interessante, diz ele, “é que há uma discrepância entre a abundância prevista de HeH⁺ e a abundância observada.” Com base em suas observações, a equipe de Güsten calculou uma abundância de HeH⁺ que é um fator de 3 mais alto do que o previsto pelos modelos de reações químicas no espaço.

Essa incompatibilidade indica espaço para melhorias nos modelos astrofísicos, diz Loreau. Güsten concorda. “Eu esperaria que os modelos do universo primitivo mudassem”, diz ele.

Stancil está menos certo. Ele diz que já fez planos com um colega para recalcular as taxas de reação de HeH⁺ à luz dessa descoberta. Entretanto, ele afirma diz que muitas suposições foram feitas nos cálculos dos pesquisadores que podem estar mascarando algo que os cientistas ainda não entendem completamente. No entanto, ele diz que esta descoberta é susceptível de estimular novas modelagens e trabalhos de laboratório que poderiam melhorar nossa compreensão da química no espaço e no início do universo.

Essas traduções são parte da colaboração entre C&EN e a Sociedade Brasileira de Química. A versão original (em inglês) deste artigo está disponível aqui.