Michael McCarthy: “Se sabe poco de las moléculas ‘no-terrestres’ porque polimerizan a compuestos más estables en una fracción de segundo”

ECLA2016 "Gas on the rocks" (European Conference on Laboratory Astrophysics)
ECLA2016 “Gas on the rocks” (European Conference on Laboratory Astrophysics)

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McCarthy_photoMichael McCarthy trabaja en la división de Física Molecular y Atómica y en el área de investigación de Astrofísica de Laboratorio del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CAF), en Cambridge (Estados Unidos). Los astrónomos que trabajan en este departamento observan moléculas en los rangos milimétrico e infrarrojo, realizan experimentos espectroscópicos y cinéticos y desarrollan teorías astroquímicas. Se dedican principalmente a la detección y caracterización espectral de moléculas de interés astronómico, conocidas o postuladas, usando la espectroscopia rotacional.

¿Cuál es el papel de la astrofísica molecular y de laboratorio en la Astrofísica?

La astrofísica molecular juega un papel crucial en Astrofísica porque, en esencia, las observaciones de fuentes lejanas son una forma extrema de detección remota.  No podemos viajar hasta objetos más allá de nuestro Sistema Solar, por lo que debemos inferir sus propiedades químicas y físicas mediante la comprensión de la luz que absorben o emiten.

Haciendo mediciones en el laboratorio, en la Tierra podemos confirmar si diferentes átomos o moléculas son los responsables de la absorción o de la emisión en longitudes de onda muy específicas observadas con telescopios. Hay telescopios de muy diversos tamaños, basados en tierra y en el espacio, que detectan radiación en diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético. Al igual que una huella digital humana, la firma espectral de cada átomo o molécula es única, y en el laboratorio podemos medir esta huella digital con mucha precisión, especialmente en la región de la longitud de onda donde las moléculas experimentan rotación cuantizada.

Si un determinado átomo o molécula está presente en un objeto astronómico, las dos huellas espectrales deben ser esencialmente idénticas, aunque en ese mismo objeto abunden muchos otros tipos de átomos o moléculas. De esta manera, podemos estar muy seguros de cuáles son las especies responsables de la absorción o emisión en una determinada longitud de onda.

Comparando los espectros de laboratorio de muchos tipos diferentes de moléculas podemos empezar a desarrollar una visión general de la composición del objeto astronómico. Midiendo otras propiedades, como la polaridad de una molécula en el laboratorio, y basándonos en la intensidad o fuerza de la línea astronómica, también podemos inferir cuánto material está presente en el objeto o alrededor del mismo; asimismo, mediante la comparación de espectros de laboratorio de una molécula con cantidades de energía interna diferentes a las encontrada en un objeto astronómico, podemos deducir cómo de caliente o frío es. De esta manera, podemos entender un objeto distante con gran detalle y comenzar a unir piezas clave sobre fenómenos astrofísicos de una forma más general.

¿Cuál es su campo de investigación actual?

Yo trabajo en el área de espectroscopía molecular de alta resolución. Se centra, en gran medida, en las llamadas moléculas ‘no-terrestres’, moléculas que, en general, son bastante desconocidas para los químicos y los físicos de laboratorio porque son altamente inestables a temperatura y presión terrestres y, con frecuencia, polimerizan en compuestos más estables en una fracción de segundo.

Sin embargo, debido a la menor densidad en el espacio, estas moléculas ‘no-terrestres’ o exóticas a menudo son abundantes en muchas fuentes astronómicas.  Estas especies ‘no-terrestres’ incluyen radicales libres, especies cargadas (iones) y composiciones estructurales de mayor energía de compuestos más estables y conocidos.  Uno de las características más destacadas que la química en el espacio es que no siempre está regida por la termodinámica, sino más bien por la cinética, por lo que se observan espectaculares e inesperadas desviaciones del equilibrio termodinámico, tan comunes en la Tierra.

Mi grupo se centra en medir con gran precisión el espectro rotacional de moléculas astronómicas, conocidas o postuladas, usando instrumentos de laboratorio altamente especializados. También en este caso, la mayor parte de las moléculas astronómicas que producimos duran una fracción de segundo, incluso con las bajas presiones de nuestra cámara de vacío (una presión que es todavía mucho mayor que la encontrada en el espacio interestelar) antes de destruirse, pero es tiempo suficiente para medir sus ‘huellas dactilares’ espectrales -las frecuencias discretas que absorben o emiten radiación a medida que se mueven a través del espacio-.

Los radioastrónomos pueden utilizar estas medidas para compararlas con los espectros astronómicos de diferentes fuentes y deducir la presencia o ausencia de esta especie. Si está presente, las intensidades de las líneas pueden utilizarse para inferir la cantidad y la energía interna de esa sustancia química.

La gran ventaja de realizar experimentos en la banda de radio -la región de muy baja energía donde las moléculas giran químicamente de forma cuántica- es que se trata de una ventana ideal para muchas fuentes astronómicas. Dado que estas fuentes son típicamente muy frías, las que se observan con mayor facilidad son, precisamente, las rotaciones de baja energía (más fácilmente excitadas), ya que está libre de especies que hagan interferencias como el polvo, que puede hacer que las observaciones en el visible sean difíciles o incluso imposibles.

Otra ventaja de la banda de radio es que muchas fuentes son relativamente quiescentes, por lo que las líneas de emisión de las moléculas son finísimas y se pueden hacer comparaciones muy rigurosas con las “huellas dactilares” espectrales  de laboratorio. Muchas de las casi 200 moléculas halladas en el espacio primero fueron detectadas en la banda de radio por estas razones.  Nuestro grupo ha sido responsable de la detección astronómica de un número importante de moléculas ‘no-terrestres’, probablemente unas 40 en total.

En el contexto de la astrofísica de laboratorio, ¿cuáles son los principales avances en los últimos años?

Desde mi punto de vista, ha habido dos importantes descubrimientos en el campo de la astrofísica molecular en los últimos años: (1) la detección del C60 neutro (el Buckminsterfullereno) y de moléculas C70 en varias fuentes astronómicas a través de sus transiciones infrarrojas; y (2), la primera detección definitiva del ion positivo del C60, el C60+, como portador de dos bandas interestelares difusas.

En un sentido general, estos descubrimientos son importantes porque demuestran que las moléculas muy grandes y complejas pueden sintetizarse en el espacio y pueden sobrevivir a pesar de que las condiciones son a menudo hostiles a la unión química. Son más de cinco veces más grandes que la molécula astronómica más grande que le sigue en tamaño, pero sin embargo aún no tenemos una idea clara de cómo se producen en el espacio.

El descubrimiento del C60+ es particularmente significativo porque los portadores de las bandas interestelares difusas son uno de los problemas sin resolver más antiguos y desconcertantes de nuestro campo. Estas bandas, vistas contra estrellas del fondo, se conocen desde hace casi cien años, y ya se han identificado más de trescientas características diferentes. Durante mucho tiempo hemos sabido que las bandas surgen del material que se encuentra a lo largo de la línea de visión que hay entre nosotros y la estrella de fondo, pero el portador o portadores de estas bandas ha seguido siendo un misterio hasta ahora.

Se han planteado muchos posibles portadores a lo largo de los años, desde bacterias asesinas hasta transiciones high-lying de la molécula más abundante, el H2, pero ninguna ha superado la prueba del tiempo. Sin embargo, ahora se cree que las moléculas en fase gaseosa, probablemente orgánicas en su contenido, son los portadores más probables.

Los portadores pueden ser muy importantes porque constituyen una fracción considerable de toda la materia orgánica reactiva de la naturaleza. Sin embargo, hasta ahora, han resistido todos los intentos de identificación y caracterización. El descubrimiento del C60+ en el espacio fue posible gracias a un experimento de laboratorio muy sensible que fue capaz de producir este ion selectivamente y medir su espectro a pesar de una muy baja concentración de estado estacionario en el aparato.

¿Qué resultados espera su comunidad en la próxima década?

Predecir el futuro nunca es fácil y las predicciones suelen estar plagadas de incertidumbres, ¡pero aquí va!  Un factor importantísimo a la hora de realizar nuevos descubrimientos en astrofísica son los telescopios, cada vez más grandes y más sensibles, o telescopios que nos permitan visualizar porciones del espectro electromagnético que antes eran inaccesibles, ya sea porque las moléculas de nuestra atmósfera ocultan señales que nos llegan desde el espacio o debido a desafíos tecnológicos.

El principal impulsor en radioastronomía, el campo más relacionado con mi trabajo, es ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) la mayor instalación astronómica que existe actualmente y que ha alcanzado la totalidad de su capacidad científica hace poco. Consta de 66 antenas de alta precisión, se encuentra a 5.000 metros de altitud, en el norte de Chile, y puede ver el cielo en las bandas milimétrica y submilimétrica.

Con él, ahora podemos observar objetos astronómicos con una sensibilidad y una resolución angular sin precedentes, permitiendo a los astrónomos resolver propiedades del gas y el polvo que hay en la región de formación estelar de nuestra galaxia y de las regiones frías en la que se forman las estrellas y los planetas. Estas observaciones astronómicas a su vez impulsarán la siguiente generación de mediciones de astrofísica molecular de laboratorio.

Parece que un posible resultado será la detección en el espacio de moléculas prebióticas o biológicas que a menudo asociamos con la vida y la detección definitiva de más moléculas que, plausiblemente, podrían servir como pilares para la química orgánica compleja. Dicho esto, debemos ser cuidadosos a la hora de intentar entender cómo podrían estar relacionados estos hallazgos, si se llevan a cabo, con la vida tal y como la conocemos. Vivimos emocionantes momentos y, de hecho, podría decirse que representan la era dorada de la radioastronomía.

Michael McCarthy at ECLA2016
Michael McCarthy at ECLA2016

ENGLISH VERSION

“The ‘non-terrestrial’ molecules are generally unknown because they polymerize to more stable compounds in a fraction of a second”

Michael McCarthy works in the division of Atomic and Molecular Physics (AMP) and in the Laboratory Astrophysics research area of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CAF), in Cambridge (USA). Astronomers at AMP divisions carry out millimeter and infrared observations of molecules, spectroscopic and kinetic experiments, and astrochemical theory. Astronomers in this group are primarily engaged in the detection and spectral characterization of known or postulated molecules of astronomical interest using rotational spectroscopy.

What is the role of molecular and laboratory astrophysics in astrophysics? 

Molecular astrophysics plays a crucial role in astrophysics because observations of distant sources are essentially an extreme form of remote sensing.  We can not travel to objects beyond our solar system, so we must instead infer their chemical and physical properties by understanding the light that they absorb or emit.

By performing laboratory measurements on Earth we can be certain that different atoms or molecules are responsible for absorption of emission at very specific wavelengths that we observe with telescopes.  Telescopes come in all sorts of sizes, are located on the ground and in space, and detect radiation at different wavelengths throughout the electromagnetic spectrum. Much like a human fingerprint, the spectral signature of each atom or molecule is unique, and in the laboratory we can measure this fingerprint to very high accuracy, particularly in the wavelength region where molecules undergo quantized rotation.

If a specific atom or molecule is present in an astronomical object, the two spectral fingerprints should be essentially identical, even if many other atoms or molecules are also abundant in the same object.  In this way we can be extremely confident about what species was responsible for absorptions or emissions at a particular wavelength.

By comparing the laboratory spectra of many different types of molecules we can begin to develop a comprehensive picture of the composition of the astronomical object. By measuring other properties, such as the polarity of a molecule in the laboratory, we can also infer how much material is present in or around the object based on the intensity or strength of the astronomical line; by comparing laboratory spectra of a molecule with different amounts of internal energy to that found in an astronomical object we can also deduce how warm or cold it is.  In this way, we can understand in great detail and with great confidence a distant object, and begin to piece together clues about astrophysical phenomena more generally.

What is your current research field?

My research is in the area of high-resolution molecular spectroscopy.  It is focused largely on so-called ‘non-terrestrial’ molecules — molecules that are generally unknown to the laboratory chemist or physicist because they are highly unstable under terrestrial temperature and pressure, frequently polymerizing to more stable compounds in a fraction of a second.

Owing to the much lower density in space, however, these ‘non-terrestrial’ or exotic molecules are often abundant in many astronomical sources.  These ‘non-terrestrial’ species include free radicals, charged species (ions), and higher-energy structural arrangements of more stable and well-known compounds.  One of the remarkable traits is that the chemistry in space is not always governed by thermodynamics but rather by kinetics, so spectacular and unexpected deviations from thermodynamic equilibrium, which we are so familiar with on Earth, are observed.

My group concentrates on measuring the rotational spectra of known or postulated astronomical molecules, and measuring these spectra to very high accuracy using highly specialized instrumentation in the laboratory.  Here too we can only produce most astronomical molecules for a fraction of a second even at the low pressures in our vacuum chamber (a pressure which is still much higher than that found in interstellar space) before they are destroyed, but this time is sufficient to measure their spectral ‘fingerprint’ — the discrete frequencies they absorb or emit radiation as they tumble through space.

These measurements can then be used by radio astronomers to compare against astronomical spectra of different sources to deduce the presence or absence of this species. If present, line intensities can be used to infer how much of the chemical is present and with how much internal energy.

The great advantage of performing experiments in the radio band — the very low energy region where molecules rotate quantum chemically — is that this is an ideal window to probe many astronomical sources. Because these sources are typically very cold, it is precisely low-energy rotations that are most easily excited and where emission is most easily observed, free from interfering species such as dust that can make observation in the visible region difficult or impossible.

Another advantage of the radio band is that many sources are relatively quiescent, so line emission from molecules is razor sharp, and very rigorous comparisons can be made with laboratory ‘fingerprint” spectra.  Many of the nearly 200 molecules found in space were first detected in the radio band for these reasons.  Our group has been responsible for astronomical detection of a significant number of the ‘non-terrestrial’ molecules, probably about 40 in total.

In the context of Laboratory Astrophysics, what are the main advances in recent years?

From my perspective there have been two major discoveries in the field of molecular astrophysics in the past few years:  (1) detection of the neutral C60 (buckminsterfullerene) and C70 molecules in several astronomical sources via their infrared transitions, and (2) the first definitive detection of the positive ion of C60, C60+, as the carrier of two diffuse interstellar bands.

In a general sense these discoveries are significant because they demonstrate that remarkably large and complex molecules can be synthesized in space, and can survive there despite conditions that are often thought hostile to the chemical bond.  In terms of size, they are more than five times larger than the next larger astronomical molecule, but yet we still have no clear picture of how they are produced in space.

The discovery of C60+ is particularly significant because the carriers of the diffuse interstellar bands are one of the longest standing, most puzzling, and outstanding problems in our field. These bands, seen against background stars, have been known for nearly one hundred years, and upwards of three hundred different features have now been identified. We have long known that the bands arise from material along the line of sight between us and the background star, but the carrier or carriers of these bands has remained a mystery until now.

Many possible carriers have been put forth over the years ranging from killer bacteria to high-lying transitions of the most abundant molecule, H2, but none have withstood the test of time.  However, it is now generally believed that gas-phase molecules, presumably organic in content, are the most likely carriers.

The carriers may be crucially important because they constitute a significant fraction of all reactive organic matter in nature, but yet they have seemingly resisted all attempts towards identification and characterization until now.  The discovery of C60+ in space was made possible by a very sensitive laboratory experiment that was able to selectively produce this ion and measure its spectra despite a very low steady-state concentration in the apparatus.

What new results does your community expect in the next decade?

Predicting the future is never easy and fraught with uncertainty, but here goes!  A huge driver for new discoveries in astrophysics are larger and more sensitive telescopes, or telescopes that allow us to view portions of the electromagnetic spectrum that were previously inaccessible, either because molecules in our atmosphere obscure signals from space or because of technological challenges.

The main driver in radio astronomy, the field most closely related to my own work, is ALMA, the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array — the largest astronomical project in existence, and one that only has recently achieved full scientific capability. It consists of 66 high precision antennas which are located at 5000 meters altitude in northern Chile, and will view the heavens in the millimeter and submillimeter-wave bands.

With it we can now observe astronomical objects with unprecedented sensitivity and angular resolution, allowing astronomers to resolve gas and dust properties of star-forming region in our Galaxy and cold regions in which stars and planets are formed. These astronomical observations will in turn drive the next generation of laboratory molecular astrophysical measurements.

It seems that a likely outcome will be detection in space of prebiotic or biological molecules that we often associate with life and the definitive detection of still more molecules that might plausibly serve as the building blocks for complex organic chemistry. Having said that, we must be careful to understand how these discoveries might be connected, if at all, to life as we know. Exciting times indeed, and arguably ones, that represent the golden of radio astronomy.

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