Proceso de detección molecular en nubes interestelares Grupo

Caracterización de moléculas de interés astrofísico
MIGUEL CARVAJAL, FRANCISCO PÉREZ BERNAL
Grupo Física Subatómica y Molecular
Departamento de Física Aplicada, Facultad de Ciencias Experimentales
Dpto. de Estructura de la Materia y Tecnología Nuclear, Centro de Investigación de la Energía (CIE)
Universidad de Huelva
Grupo Física Subatómica y Molecular
Espectroscopía molecular
El grupo Física Subatómica y Molecular (FiSuM) (Código PAI: FQM-370) de la
Universidad de Huelva está integrado por un equipo de investigadores bien
consolidado que trabaja en diferentes líneas de investigación relacionadas
con el estudio de la estructura nuclear, la física de altas energías, y la
estructura y espectroscopía molecular.
molecular
Los investigadores del grupo FiSuM involucrados en el estudio de
estructura y espectroscopía molecular se han especializado en el análisis
espectros moleculares entre los intervalos de frecuencia infrarrojo y
microondas,
microondas esto es, los derivados de los movimientos de vibración y
rotación molecular.
molecular
la
de
de
de
El equipo investigador ha colaborado en el desarrollo de nuevas
metodologías y programas de cálculo para el análisis de espectros
experimentales de moléculas de interés astrofísico.
astrofísico Los formalismos teóricos
desarrollados en FiSuM se utilizan para predecir nuevas líneas espectrales
(frecuencias e intensidades) y son necesarios para la identificación
molecular en el medio interestelar.
interestelar Entre otras moléculas, el grupo ha
estudiado moléculas orgánicas como el dimetil éter (CH3OCH3), el formiato
de metilo (CH3COOH) y sus especies isotópicas, cuya dificultad de análisis
espectral se debe a los movimientos de torsión de los grupos metilos CH 3,
que desdoblan las líneas espectrales. Estos estudios han dado origen a la
detección de especies moleculares por primera vez en el espacio.
Este proyecto ha sido financiado con el proyecto de excelencia
“Espectroscopía rovibracional de moléculas de interés astrofísico” de la
Junta de Andalucía
y con el proyecto ”Caracterización de especies
moleculares de interés astrofísico” del Ministerio de Ciencia e Innovación.
Astronomía molecular
El campo de la astrobiología explora la posible conexión entre
la astroquímica y el origen de la vida.
vida La presencia de agua y
de otras moléculas orgánicas en el medio interestelar,
interestelar cometas
y en la Tierra nos aporta la relación más evidente.
evidente Por este
motivo, muchos científicos tratan de entender como el agua y
las moléculas orgánicas se han formado en el espacio y tratan
de buscar su rastro en los distintos procesos de formación de
estrellas y sistemas planetarios.
Las estrellas,
estrellas y a posteriori los planetas, nacen a partir de
nubes interestelares compuestas principalmente de moléculas
en estado gaseoso y de granos de polvo. Estas nubes tienen
masa suficientemente grande como para colapsar por la fuerza
gravitatoria y crear millones de estrellas. Estas regiones se
pueden observar debido a la emisión de luz proveniente de las
moléculas en estado gaseoso, permitiéndonos su estudio.
Actualmente casi 150 moléculas diferentes se han detectado
en los medios interestelar o circunestelar. Gran parte de la
identificación molecular se podido realizar mediante la
combinación de medidas de espectros y observaciones
radioastronómicas en las regiones de microondas, milimétrica
y submilimétrica.
submilimétrica Por tanto, el conocimiento de los espectros
rotacionales de un gran número de moléculas es fundamental
para la detección de nuevas especies. Por ello se necesitan de
los experimentos de laboratorio asistidos por modelos teóricos
apropiados.
Ventana atmosférica
Rayos X
Visible
Infrarrojo
UV
La espectroscopía molecular estudia la interacción entre la radiación electromagnética y las
moléculas, esto es, se centra en la medición de espectros moleculares y en su análisis.
Las moléculas interaccionan con la radiación electromagnética únicamente cuando la
frecuencia de un haz de luz (fotón)
fotón coincide exactamente con el salto de energía ( transición)
transición
entre dos estados cuánticos de la molécula. Si la molécula emite o absorbe un fotón, la
molécula pierde (desexcita)
desexcita o gana (excita)
excita energía, según el principio de conservación de la
energía. Entonces, cada molécula emitirá o absorberá luz a unas frecuencias características y
diferentes al resto de las especies moleculares. Por tanto, si espectro molecular,
molecular de absorción
o emisión según se trate, se le llama a la representación de la intensidad frente a la frecuencia
de la distribución de líneas de transición de una molécula, se puede decir que cada molécula
tiene un espectro único y característico.
característico Este hecho hace que se pueda distinguir
inequívocamente a las distintas especies moleculares implicadas en cualquier medio, aunque
para ello se requiere que previamente se hayan medido y analizado sus espectros. Es por ello
que la espectroscopía es tan importante para la detección astronómica de nuevas moléculas.
Las
moléculas
emiten
y
absorben
radiación
electromagnética a distintos rangos de frecuencia,
desde el ultravioleta al rango de microondas. Las
líneas espectrales en el rango del ultravioleta y el
visible son consecuencia de transiciones entre
distintos estados electrónicos,
electrónicos en el rango infrarrojo
se
deben
a
las
transiciones
entre
estados
vibracionales
y
en
los
rangos
milimétrico,
submilimétrico y de microondas a las transiciones
entre estados rotacionales.
rotacionales
Proceso de detección molecular
1. En el seno del grupo GEM se ha colaborado en la
detección primera de varias especies moleculares en
el espacio interestelar.
interestelar Las detecciones han sido
posible gracias a la colaboración que GEM mantiene
con
laboratorios
internacionales
de
reconocido
prestigio, como es el Laboratoire de Physique des
Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM) en Lille, el
Laboratoire
Interuniversitaire
de
Systèmés
Atmospheriques (LISA) en Paris y el Centro de
Astrobiología (CAB-INTA) en Madrid, entre otros.
A continuación, se explican los pasos seguidos hasta
identificar nuevas especies moléculares en el espacio
interestelar en las que ha participado el grupo GEM.
2. El primer paso consiste en la selección de la molécula
objeto de estudio por su interés astrofísico.
astrofísico Moléculas
orgánicas con modos de torsión debido a grupos
metilo CH3 son susceptibles de ser identificadas en el
espacio interestelar, como el formiato de metilo
(CH3COOH), el dimetil éter (CH3OCH3) y sus especies
isotópicas.
Formiato de metilo (CH3COOH)
Dimetil éter (CH3OCH3)
Radio
3. Una
Ventana atmosférica se le llama a cada uno de los intervalos de frecuencia en los que una radiación
procedente del exterior de la Tierra puede atravesar la atmósfera sin ser absorbida y, así, ser
detectada por un telescopio en el suelo. A nivel del mar, las únicas ondas electromagnéticas que nos
llegan del cosmos son ondas de radio y luz visible (más una pequeña fracción de radiación infrarroja y
ultravioleta) que corresponden a las llamadas ventanas de radio y óptica. A mayor altitud se gana en
intensidad pero muy poco en nuevas frecuencias. Por ello la mayoría de telescopios infrarrojos,
ultravioleta, de rayos X o de rayos gamma deben colocarse a bordo de satélites (Astrodiccionario,
Javier Bussons Gordo). La regiones de microondas, milimétrica, y submilimétrica se encuentran en la
ventana de radio, entre el infrarrojo y las ondas de radio.
Los nuevos laboratorios de observación, el observatorio
espacial Herschel,
el
Herschel puesto en órbita en Abril de 2009,
proyecto ALMA (Atacama Large Millimeter Array), que operará
completamente a partir de 2012, o el SOFIA (Stratospheric
Observatory for Infrared Astronomy, 2011) están abriendo la
posibilidad de observaciones astronómicas en la región
submilimétrica hasta frecuencias de unos pocos THz. Se
espera de tales instrumentos una sensibilidad y resolución sin
precedentes (ya se ha logrado con Herschel) que permitan
medir espectros complejos y extremadamente densos,
cubriendo desde la región submilimétrica hasta en infrarrojo
lejano, llegando a
resolver la confusión espectral de las
observaciones que impide la identificación de posibles nuevas
especies moleculares.
ALMA
Herschel
SOFIA
vez elegida la molécula, y tras sintetizarla, se
introduce en un espectrómetro en fase gaseosa y se
mide su espectro experimental.
experimental Una de las mejores
estrategias
a
seguir
consiste
en
combinar
experimentos de espectroscopía de microondas,
milimétrica y submilimétrica (microondas = 0-30 GHz,
ondas
milimétricas=
30-300
GHz;
ondas
submilimetricas-=
300-1000
Ghz).
En
las
colaboraciones con el grupo GEM, las medidas del
espectro se ha llevado a cabo en los laboratorios de
PhLAM (Francia) y el Centre for Theoretical and
Computational Chemistry en Oslo (Noruega).
en nubes interestelares
5. Los astrónomos, mediante su
observación,
pretenden
detectar
observación
nuevas especies moleculares en el
medio interestelar. La identificación
molecular en nubes interestelares
aportan pistas para entender el
proceso de formación estelar y de
atmósferas planetarias, así como del
origen de la vida en la Tierra. Gran
parte de las observaciones se han
llevado a cabo en el CAB, Madrid.
Nubes de polvo interestelares de Orion
y Sagitario
Fotografía de la nube de Orión tomada por la ESA (European
Southern Observatory). Las nubes de polvo interestelares
están formadas por numerosas especies moleculares.
6. Tras el análisis espectral, en el grupo
GEM se predicen teóricamente nuevas
se predicen
nuevas
líneas de transición (frecuencias e
intensidades)
en
los
rangos
espectrales
de
la
observación
astronómica. El espectro astronómico
observado en las nubes interestelares
se compara con las líneas de transición
predichas u obtenidas del laboratorio.
Si numerosas líneas coinciden,
se
coinciden
puede concluir que la molécula objeto
de estudio se ha identificado y está
presente en la nube interestelar en
cuestión. Este trabajo se realiza junto
con el equipo de astrónomos.
Líneas detectadas del formiato de metilo
en la nube interestelar W51 e2 en las que
ha participado GEM.
Porción del espectro observado y simulado
en el rango infrarrojo de BF2OH
En esta porción del espectro infrarrojo se puede observar las transiciones entre
estados rotacionales que componen la banda vibracional  8+ 9 y el estado
fundamental vibracional. La asignación de números cuánticos a las líneas
espectrales vienen dado por la numeración aportada entre el espectro simulado
teóricamente (arriba) y el espectro observado (abajo).
4. Tras la medida del espectro se procede al análisis
espectral y a la asignación cuántica de las líneas
ALMA: Observatorio que consta de cerca de 65 antenas. Estas antenas combinan sin precedentes de sensibilidad, resolución angular,
resolución espectral y fidelidad de imagen. Las frecuencias observadas están en el rango milimétrico y submilimétrico.
Herschel (ESA): primer observatorio espacial en cubrir completamente el infrarrojo lejano y longitudes de onda submilimétricas. Su
telescopio
tiene
el
mayor
espejo
desplegado
nunca
en
el
espacio
(3.5
m)..
SOFIA: El avión SOFIA vuela en la estratosfera y alberga un telescopio reflexivo de 2.5 m. SOFIA realiza observaciones imposibles para
telescopios ubicados en la Tierra.
espectral
espectrales. Para ello, hay que desarrollar un
formalismo adecuado y un programa de cálculo para la
molécula en cuestión, siguiendo las bases de la
mecánica cuántica. Esta labor teórica se lleva a cabo
conjuntamente entre el grupo GEM en Huelva, LISA
(Francia) y el Instituto de Estructura de la Materia
(Madrid).
La observación de la antena de 30 m de IRAM (espectro en negro) se compara con
las líneas espectrales predichas teóricamente para la molécula de formiato de
metilo usando diferentes modelos de emisión, de densidad y temperatura, para la
nube de polvo (espectros en verde y rojo). La temperatura de la nube W51 e2 está
entre 104 y 154 K aproximadamente. La numeración se refiere a algunas de las
transiciones del primer estado excitado de torsión del formiato de metilo
identificadas por el grupo GEM en 2008. Se puede percibir que hay gran cantidad de
líneas espectrales que aún no han sido identificadas y que hay numerosas especies
moleculares ya detectadas. Para identificar todas las líneas espectrales se requiere
un enorme esfuerzo espectroscópico.