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La primera molécula en el Universo

  • Título: Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+
  • Autores: Rolf Güsten, Helmut Wiesemeyer, David Neufeld, Karl M. Menten, Urs U. Graf, Karl Jacobs, Bernd Klein, Oliver Ricken, Christophe Risacher, Jürgen Stutzki
  • Institución del primier autor: Max-Planck Institut für Radioastronomie, Bonn, Germany
  • Estado: Publicado en Nature, Letters [Acceso abierto en arXiv]
  • Astrobite original: The First Molecule in the Universe por Charles Law

El despertar de la química en el Universo

¿Te has preguntado alguna vez cuál fue la primera molécula que se formó en el Universo? Cuando la temperatura en el universo temprano se enfrió por debajo de los 4000 K (esto es 7000 ºF/ 3700 ºC), elementos ligeros se produjeron durante la nucleosíntesis de la gran explosión (Big Bang), estos se empezaron a combinar para formar átomos eléctricamente neutros, un proceso algo confuso, llamado recombinación. Los iones de He2+ y He+ fueron los primeros en combinarse con electrones libres para formar átomos neutros, más tarde siguió la combinación con el hidrógeno. Este ambiente de baja densidad y libre de metales fue el adecuado para la formación del primer enlace molecular en el Universo: El ion de hidruro de helio, HeH+. Como la recombinación fue progresando, la destrucción eventual de HeH+ creó una ruta para la formación de hidrógeno molecular, la molécula más abundante en el universo actual. A pesar de su importancia en modelos de evolución química para el universo temprano, el ion de HeH+ nunca ha sido detectado en el espacio interestelar. En el astrobito de hoy, damos un vistazo de cómo los astrónomos encontraron la primera molécula creada en el universo y las implicaciones para el origen de la química más compleja del universo actual.

Encontrando HeH+ en un observatorio volador.

Los astrónomos a menudo identifican diferentes moléculas en el espacio interestelar observando las características espectrales que surgen de las transiciones rotacionales de esas moléculas. Sin embargo, en el caso de HeH+, la más favorable transición rotacional ocurre a longitudes de onda infrarroja que son bloqueadas por el ozono y el agua en la atmósfera de la tierra, lo que prohíbe su búsqueda en telescopios terrestres. Para superar estas limitaciones atmosféricas, los autores de hoy usaron un observatorio aerotransportado llamado el Observatorio Estratosférico para Astronomía Infrarroja, o más comúnmente llamado SOFIA (por sus siglas en inglés de ‘Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy’).

SOFIA es un Boeing 747SP modificado que lleva un telescopio reflector de 2.5 metros y vuela a una altitud de 38,000-45,000 pies, lo cual está por arriba del 99% de la atmósfera de la Tierra que bloquea la luz infrarroja. A estas altitudes, los cielos son transparentes y tales observatorios proporcionan a los astrónomos una nueva ventana en el universo infrarrojo. Con el nuevo lanzamiento del espectrómetro ‘Receptor Alemán para Astronomía a Frecuencias de TeraHertz’ (GREAT, por sus siglas en inglés de ‘German Receiver for Astronomy at Terahertz Frecuencies’), los autores de hoy fueron capaces de obtener la transición de HeH+ J= 1-0 a una frecuencia de aproximadamente 2 THz. Una vista general de SOFIA con una descripción de sus componentes claves se muestra en la Figura 1.

Figure 1. El observatorio estratosférico para astronomía infrarroja, SOFIA, es un proyecto entre los Estados Unidos de América y Alemania, un telescopio de 2.5 m montado en un avión Boeing 747SP. Durante 10 horas de vuelo nocturno, SOFIA, observa el sistema solar y más allá a longitudes de onda en el mediano y lejano infrarrojo, para estudiar todo, desde formación estelar hasta nubes interestelares e incluso agujeros negros. Crédito: https://www.alabamawx.com/?p=182736

 

Las observaciones de HeH+ en la Nebulosa Planetaria NGC 7027

Los autores de hoy buscaron HeH+ en la nebulosa planetaria cercana NGC 7027. Las nebulosas planetarias son nebulosas en emisión que se compone de una capa expansiva y brillante de gas ionizado eyectada por estrellas gigantes rojas al termino de sus vidas. Esta nebulosa es joven con sólo 600 años y su material eyectado es aun denso y compacto. La estrella central en NGC 7027 es extremadamente brillante. La estrella es 30 veces más caliente que nuestro Sol y 10,000 veces más brillante. El campo de radiación intenso producido por la enana blanca central combinada con una alta densidad de hidrógeno y helio permiten que se formen cantidades detectables de HeH+. Durante tres vuelos  realizados en Mayo del 2016, SOFIA se apuntó hacia NGC 7027 y se observó la nebulosa planetaria con un tiempo de integración de 71 minutos.  La emisión de la línea HeH+, J = 1-0, fue claramente detectada y se muestra en la Figura 2.

 

Figura 2. Espectro de SOFIA de la transición rotacional del estado base HeH+ J= 1-0 hacia NGC 7027. Por comparación, la línea de CO J= 11-10, la cual prueba el límite de densidad de la envolvente de una nube molecular cercana al frente de ionización, donde se espera que la emisión de HeH+ se origine, la línea es superpuesta en rojo. La sombra gris muestra el área por arriba y por debajo de cero de cada canal espectral. El eje X fue convertido de frecuencia a velocidad y el eje Y muestra la temperatura de brillo promedio del haz, una unidad especializada que mide la cantidad de luz recibida en una particular frecuencia. (Crédito: figura 1 del artículo original)

 

Una nueva ventana dentro de la química primordial

Aunque HeH+ es de limitada importancia en la Tierra hoy en día, la química del universo empezó con este ion. Los modelos químicos del universo temprano confían en la presencia de hidrato de helio con el fin de formar hidrógeno molecular, el primer impulsor molecular en la formación de las primeras estrellas. La falta de detecciones previas de esta molécula trajo la pregunta sobre nuestro entendimiento de la química en los plasmas locales e incluso en nuestros modelos del universo temprano. La inequívoca detección reportada aquí es una feliz conclusión de su búsqueda por largas décadas. Tal éxito fue sólo posible con los recientes avances de las tecnologías en Tera Hertz y las capacidades únicas de SOFIA.

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