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“El argón, al desnudo”

Artículo publicado en Naukas el 20

Laboratorio de espectroscopía infrarroja de alta resolución del IEM-CSIC (Instituto de Estructura de la Materia, Consejo Superior de Investigaciones Científicas). A la izquierda, la descarga eléctrica en cátodo hueco en la que se forma el ArH+. Al frente, los láseres y elementos ópticos que generan la radiación infrarroja monocromática con la que se han medido las transiciones rovibracionales del ArH+”. Créditos: IEM-CSIC
Laboratorio de espectroscopía infrarroja de alta resolución del IEM-CSIC (Instituto de Estructura de la Materia, Consejo Superior de Investigaciones Científicas). A la izquierda, la descarga eléctrica en cátodo hueco en la que se forma el ArH+. Al frente, los láseres y elementos ópticos que generan la radiación infrarroja monocromática con la que se han medido las transiciones rovibracionales del ArH+”. Créditos: IEM-CSIC

Un grupo de investigadores de Astromol caracteriza en el laboratorio, mediante espectroscopía láser, estas moléculas con argón

Pese a que la ciencia ha estado buscando compuestos de gases nobles en el espacio desde la década de los sesenta del siglo pasado, hasta finales del año 2013 no se confirmaba la presencia de moléculas con argón. Así y todo, su detección fue un hallazgo fortuito.

A principios de los años sesenta1, un equipo de investigadores encontró notables diferencias entre lo que predecían los modelos estelares sobre la intensidad de las líneas y el continuo, y las observaciones de estrellas brillantes llevadas a cabo en el rango ultravioleta. Para intentar explicar aquellas diferencias, sugirieron la posible presencia del catión hidrohelio (HeH+) en las atmósferas de esas estrellas, lo cual explicaría las diferencias que estaban detectando.

Se inició entonces una denodada búsqueda que ayudara a corroborar esta hipótesis. Para ello, se estudiaron objetos con alto desplazamiento al rojo con el fin de detectar este ión molecular y demostrar cuál era su papel en la química del universo temprano. Sin embargo, pese a los esfuerzos, no hubo confirmación observacional de la que podría haber sido la primera molécula de un gas noble encontrada en el espacio.

Desde entonces, utilizando tanto observatorios terrestres como espaciales, los investigadores intentaron hallar complejos moleculares que contuvieran átomos de gas noble.

No sería hasta mucho después cuando se detectara, de forma fortuita, la presencia de una molécula compuesta de argón (Ar) e hidrógeno en una nebulosa: Barlow y asociados2 daban a conocer en el año 2013 la detección del argón protonado, en concreto el isotopólogo 36ArH+, hallado en los espectros de emisión de la nebulosa del Cangrejo durante una búsqueda de líneas de monóxido de carbono (CO). Lo hacían gracias al instrumento submilimétrico SPIRE/FTS (SPIRE Fourier Transform Spectrometer) a bordo del satélite Herschel de la Agencia Espacial Europea (ESA).

La presencia de argón en los entornos conocidos

Sabemos que, en el Sol, más del ochenta por ciento del argón es el isótopo 36Ar, y en planetas gigantes la proporción de 36Ar con respecto a otros isótopos de este átomo es notablemente mayor (Cameron 1973).

Recientemente, la información sobre las proporciones de los isótopos 36Ar y 38Ar analizadas en la atmósfera de Marte, sirvió para trazar la historia de la pérdida de la atmósfera del planeta rojo3.

Sin embargo, en nuestro planeta, el isótopo más abundante de argón es 40Ar (de hecho, supone un 99,6% de todo el argón de la Tierra)4. Se produce a partir de la desintegración del potasio (40K) a través de la captura de un electrón o la emisión de un positrón, y de la desintegración beta del calcio (40Ca).

Vista completa de la descarga en cátodo hueco, donde se aprecia la luz emitida por el plasma formado en su interior. Créditos: IEM-CSIC
Vista completa de la descarga en cátodo hueco, donde se aprecia la luz emitida por el plasma formado en su interior. Créditos: IEM-CSIC

La literatura cuenta con una serie de estudios espectroscópicos de alta resolución de todos los isotopólogos de este iónmolecular (es decir, con 40Ar, 36Ar, 38Ar, H y D), tanto en el infrarrojo como en la región de ondas milimétricas y submilimétricas. Pero la gran abundancia del pesado 40Ar en la Tierra tiene como consecuencia que la mayor parte de los estudios de laboratorio del ArH+ (hidruro de argón) se haya centrado en 40ArH+, con lo cual había muy poca información disponible sobre 36ArH+, e incluso menos sobre 38ArH+.

Para 36ArH+ y 38ArH+ las únicas medidas directas eran verdaderamente escasas: solamente seis y dos líneas rovibracionales respectivamente. En ambos casos, la abundancia isotópica en el experimento era la natural de 36Ar y 38Ar.

Una transición rovibracional (palabra que une ambos tipos de transición, la rotacional y la vibracional5) es un “salto” en el nivel de energía de rotación y de vibración de una molécula. Gracias a ese salto podemos detectar la emisión o la absorción de luz que se produce en entornos como la nebulosa del Cangrejo y así determinar las condiciones físicas del gas.

Dado que en el Sol, en otras estrellas y en el medio interestelar, el isótopo más abundante es 36Ar, producido por procesos alfa durante la nucleosíntesis estelar, era necesario caracterizar con mayor precisión estas transiciones.

Un trabajo de laboratorio para ayudar a medir con precisión

Cuando en la Tierra no existe una especie molecular de forma natural, y con el fin de confirmar lo que los instrumentos detectan en el espacio, necesitamos producir en un laboratorio esa molécula que estamos estudiando para medir las frecuencias de sus transiciones espectrales. Las transiciones rotacionales del 36ArH+ necesitan telescopios espaciales, ya que estas se producen a frecuencias de microondas muy altas (cientos o miles de Gigahercios) en las que la atmósfera terrestre es muy opaca. Sin embargo, las transiciones rovibracionales pueden observarse en el infrarrojo próximo desde telescopios terrestres como el VLT del ESO.

Barlow y asociados daban a conocer en el año 2013 la detección del argón protonado, en concreto el isotopólogo 36ArH+, hallado en los espectros de emisión de la nebulosa del Cangrejo durante una búsqueda de líneas de monóxido de carbono (CO). Créditos: NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University).
Barlow y asociados daban a conocer en el año 2013 la detección del argón protonado, en concreto el isotopólogo 36ArH+, hallado en los espectros de emisión de la nebulosa del Cangrejo durante una búsqueda de líneas de monóxido de carbono (CO). Créditos: NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University).

Para ello, a principios de este año, utilizando un espectrómetro láser de diferencia de frecuencia y una célula de descarga de cátodo hueco, un equipo de investigadores medía con precisión las transiciones rovibracionales de las especies 36ArH+ y 38ArH+, detectadas en el infrarrojo en el Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC).

Tomando 19 líneas de la banda v=1-0 (correspondientes cada una de ellas a uno de esos “saltos” en los niveles de energía) se obtuvieron medidas que, de ahora en adelante, ayudarán en la búsqueda y detección en el espacio de estas especies de argón6 y de otros isotopólogos observados.

Notas:

1.- Stecher & Milligan (1961, 1962). Véase también Norton 1964; Harris et al. 2004.

2.- Astronomers discover first noble gas molecules in space (13 December 2013):

3.- “Argon Isotopes Provide Robust Signature of Atmospheric Loss“. Esta tabla nos habla de las diferencias detectadas en las medidas de argón 36 y argón 38 tomadas en 1976 por la sonda Viking y en 2013 por el rover Curiosity, señalando la pérdida del isotopo más ligero a lo largo del tiempo geológico.

4.- La abundancia en la tierra de 38Ar, 36Ar y 40Ar es de 0,063%, 0,337% y 99,600%, respectivamente.

5.- Estas transiciones pueden ser de varios tipos: electrónicas, vibracionales y rotacionales. Las electrónicas suponen un cambio en la distribución de la nube de electrones (además de en las moléculas, también se dan en los átomos); las vibracionales tienen lugar debido a cambios en el estado de vibración de los núcleos en torno a su posición de equilibrio;  por último,  las rotacionales se dan cuando la molécula modifica su velocidad de rotación al girar, de forma solidaria con respecto al centro de masas, los núcleos de los átomos que la componen. Por último, las rovibracionales, son las transiciones que tienen lugar entre dos estados rotacionales de distintos estados vibracionales.

6.- Los coeficientes de Dunham independientes de la masa han mejorado considerablemente y se proporcionan medidas precisas de números de onda de transiciones rotación-vibración en la banda v=1-0 en el rango de 2450-2715 cm−1 (4.1-3.7 μm) de 36ArH+ y 38ArH+. Estos números de onda podrán ayudar en futuras búsquedas de absorciones de estas moléculas contra fuentes luminosas.

Enlaces:

-Acceso al artículo científico completo: “New accurate measurement of 36ArH+ and 38ArH+ ro-vibrational transitions by high resolution IR absorption spectroscopy”, The Astrophysical Journal Letters, 783:L5 2014, doi:10.1088/2041-8205/783/1/L5.

Agradecimientos:

A todo el equipo del Laboratorio de espectroscopía infrarroja de alta resolución del IEM-CSIC y al resto de investigadores que han padecido mi interrogatorio.

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Foto de grupo de la "Astrochemistry's Cool". Créditos: UIMP-Cuenca

Un balance de la “Astrochemistry’s Cool”

Algunas conclusiones sobre la escuela de astroquímica celebrada el pasado mes de septiembre en Cuenca

En los años 70 empiezan a detectarse las primeras moléculas en el espacio. Surge entonces la semilla de una nueva disciplina, la astroquímica, que ha debido ir uniendo el esfuerzo de astrofísicos, químicos y expertos en espectroscopía y en precisos trabajos de laboratorio. España lidera ahora un importante proyecto europeo, NANOCOSMOS, tras una trayectoria llena de esfuerzos y de importantes descubrimientos.

Tal y como afirma José Cernicharo, codirector de la escuela “Astrochemistry’s Cool” y responsable del Grupo de Astrofísica del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), “Para interpretar las observaciones, los astrofísicos necesitan a los químicos. Aunque tengamos datos magníficos de los mejores instrumentos, sin el trabajo de laboratorio no podemos explotar al máximo la información que obtenemos”.

De ahí la organización de una escuela como esta, una iniciativa innovadora puesta en marcha por el programa “Consolider Ingenio 2010 ASTROMOL – Astrofísica Molecular: la era de Herschel y ALMA” y la Universidad Internacional Menéndez Pelayo (UIMP), con el claro objetivo de sacar lo mejor de todos los campos implicados. Aunque en España se han desarrollado importantes congresos de astrofísica molecular, tanto nacionales como internacionales, no se habían organizado antes escuelas de estas características.

La “Astrochemistry’s Cool”, celebrada en Cuenca del 14 al 18 de septiembre de 2014, ha contado con 14 profesores y 32 alumnos y ha ofrecido, no sólo seminarios por parte de expertos en los diferentes campos de investigación, sino que también se han llevado a cabo talleres en los que un tutor ha planteado un ejercicio y el equipo, formado por tres químicos y tres astrofísicos, ha debido resolver una serie de pruebas y presentar los resultados.

Para Asunción Fuente, codirectora de la escuela e investigadora del Observatorio Astronómico Nacional (OAN-IGN), “Se trata de estrechar la relación entre químicos y astrofísicos, de que esas sinergias, que ya existían antes y han dado lugar a interesantes colaboraciones, cobren ahora más fuerza”.

Para Cernicharo, “Gracias a una continua colaboración y a un esfuerzo conjunto hemos ido explicando muy poco a poco procesos que, dado que cada vez tenemos más información, descubrimos que son muy complejos”.

A ello ha ayudado la puesta en marcha, a nivel nacional, de una colaboración efectiva y planificada en astroquímica a través del programa ASTROMOL, Consolider-Ingenio “Astrofísica Molecular: la era de Herschel y ALMA”, que se inició en el año 2009. A eso debemos sumar la reciente concesión de un importante proyecto Synergy europeo, NANOCOSMOS, cuya intención es desvelar los orígenes de los granos de polvo en envolturas estelares. En relación a este proyecto, José Cernicharo afirma que “Debemos ser conscientes de la importancia de haber obtenido este programa, este espaldarazo nos permitirá formar a más especialistas en este campo y obtener un importante retorno a toda la inversión llevada a cabo por España en proyectos como, por ejemplo, el interferómetro ALMA”.

“Sabemos muy poco, lo que nos falta por aprender es mucho, y se nos pueden estar pasando aspectos muy importantes de la evolución química del universo: todo lo ligado a las zonas de  formación de planetas en las que las condiciones iniciales, físicas y químicas, tienen un papel importantísimo en la posible aparición posterior de una química, prebiótica o biótica, que dé lugar a procesos como los que tienen lugar en la Tierra”, concluye Cernicharo.

Precisamente, para cerrar este encuentro, Ricardo Amils, catedrático de microbiología de la Universidad Autónoma de Madrid e investigador del Centro de Astrobiología (INTA-CSIC), ofrecía un seminario sobre “El origen de la vida” en el que ha dado el enfoque biológico a todo el trabajo que mueve a la astroquímica: saber cómo surge la vida.

La opinión de los alumnos

Carlos Cabezas es químico, investigador en el grupo de espectroscopía molecular de la Universidad de Valladolid. “Al principio no sabía muy bien lo que iba a sacar en claro pero, para los que venimos de la parte experimental y de laboratorio, ha sido muy útil para ayudarnos a comprender mejor cómo se trabaja en astronomía. Tenemos trabajos en común desde hace cuatro o cinco años y, tras esta escuela, hemos conseguido ponernos en su lugar: utilizamos un lenguaje diferente y ahora sabemos qué podemos pedir. Es algo muy enriquecedor”.

Por su parte, Mireya Etxaluze es astrofísica e investigadora en el Grupo de Astrofísica Molecular desde el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC). “Ha sido una interesante puesta en común. La química de laboratorio me ha resultado muy interesante: ver cómo distintos grupos trabajan con un mismo objetivo, pero con herramientas totalmente distintas es muy revelador. Nosotros, los astrofísicos, no podemos jugar en el laboratorio, nos limitamos a lo que se ve, nos limita la instrumentación. A medida que mejoren, tanto la instrumentación como los laboratorios, podremos hacer que la astroquímica crezca”.  

 

Más información:
Sala de prensa de la “Astrochemistry’s Cool”
– Programa en pdf. de la “Astrochemistry’s Cool”
Página de la UIMP
– Página web del Consolider Ingenio 2010 ASTROMOL

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