El caso del nitrógeno desaparecido en el cometa 67P

Título: Las sales de amonio son un depósito de nitrógeno en un núcleo cometario y posiblemente en algunos asteroides. – Ammonium salts are a reservoir of nitrogen on a cometary nucleus and possibly on some asteroids

Autores: Olivier Poch et al.

Institución del primer autor: Université Grenoble Alpes, Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS), Instituto de Planetología y Astrofísica de Grenoble (IPAG), 38000 Grenoble, Francia.

Estado: publicado en Science

Imagen por ESA

Astrobites original por Ishan Mishra

Los cometas conservan información sobre las primeras etapas de la formación del sistema solar y sobre la composición de sus elementos básicos. Se han producido grandes avances en la comprensión de estos cuerpos planetarios gracias a la nave espacial Rosetta, que ganó fama mundial por visitar el cometa 67-P de la familia ‘Júpiter’ en 2014. Uno de los primeros resultados científicos de la misión provino de su espectrómetro de masas de polvo, el instrumento COSIMA, que recolectó granos de polvo procedentes del material que salió despedido de la superficie del cometa, y midió su composición. La relación promedio de nitrógeno a carbono, o relación N / C, que COSIMA midió en los granos de polvo del cometa fue de 0.035 +/- 0.011. Este valor es mucho más bajo que el valor solar de N / C, que es 0.29 +/- 0.12. Dado que los cometas se formaron muy temprano en la historia del sistema solar (hace aproximadamente 4.500 millones de años) y han sufrido cambios químicos mínimos desde entonces, esperamos que su composición elemental sea similar a la nebulosa que también formó el Sol. Entonces, ¿por qué se encontró que el contenido de nitrógeno de 67P era más bajo? ¿Hay un depósito desconocido de nitrógeno en los cometas?

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La misteriosa absorción infrarroja en el cometa 67P

La espectroscopía de reflectancia es la herramienta de detección remota más popular que se utiliza para descifrar la composición de las superficies de los cuerpos del sistema solar. Cuando la luz del Sol llega a la superficie de un cuerpo planetario, se dispersa y se refleja dependiendo de las propiedades físicas y químicas de la superficie. El espectro de esta luz reflejada contiene las firmas o “huellas dactilares” de varias especies que componen el material en la superficie del cuerpo planetario. Analizar esta luz reflejada era exactamente el trabajo del instrumento VIRTIS-M en la nave espacial Rosetta. VIRTIS-M, acrónimo de (en inglés) ‘Visible and InfraRed Thermal Imaging Spectrometer Mapping Channel Instrument’, mapeó detalladamente el cometa en 2014 y 2015. Se descubrió que el cometa 67P era espectralmente muy uniforme, con una reflectancia que aumentaba suavemente en las región visibles e infrarrojas cercanas (~ 0.4 – 2.5 micras), pero en general baja (los cometas son generalmente más oscuros que el carbón ). Estas dos características se han atribuido a compuestos orgánicos no volátiles mezclados con minerales opacos . Sin embargo, el espectro mostró una línea ancha de absorción entre 2.8 y 3.6 micras, centrada en 3.2 micras, que fue detectada continuamente en los datos de reflectancia durante el transcurso de la misión (Figura 1). Desde que los datos se analizaron por primera vez en 2015, hubo especulaciones sobre grupos funcionales como el carboxilo (-COOH^– ) y el amonio (NH⁺₄) siendo candidatos plausibles para esta característica de absorción. Sin embargo, la falta de datos espectrales de referencia para estos compuestos había impedido una explicación definitiva a esta línea.

Identificación espectral de sales de amonio

Los autores del artículo de hoy realizaron experimentos de laboratorio para producir materiales análogos al de la superficie de los cometas y midieron sus espectros de reflectancia en condiciones similares a cometas de baja temperatura y alto vacío (ver Figura 2). Estos materiales análogos eran en su mayoría mezclas de granos opacos y un conjunto de compuestos de prueba, tomando uno cada vez, para determinar cuál produce las bandas de absorción entre 3.1 y 3.2 micras como las mostradas en la Figura 1. Una investigación exhaustiva, abarcando sales, granos de hielo, ácido carboxílico y minerales hidratados, reveló que las sales de amonio (NH⁺₄) ¡producían las bandas de absorbión en las longitudes de onda correctas y de la forma adecuada! Aunque el contra-ión para la sal (el ion negativo) no pudo ser del todo caracterizado, los autores concluyen el formiato (HCOO) es el candidato más probable, dado que el ácido fórmico (HCOOH) fue detectado directamente por el espectrómetro de masas ROSINA de Rosetta, que analizó la composición de la atmósfera gaseosa del cometa. Por lo tanto, el candidato favorito de los autores para las líneas de absorción misteriosas en la región de 3 micras del espectro de reflectancia del cometa 67 P es el formiato de amonio (NH⁺₄ HCOO- ), cuyo espectro se muestra en la Figura 2.

De dónde sale el nitrógeno del cometa 67P

Entonces, ¿cómo se relaciona este nuevo descubrimiento con la discrepancia entre la relación N / C del cometa y la relación N / C solar? Los autores dicen que COSIMA, el espectrómetro de masas de Rosetta que analizó los granos de polvo que salen del cometa, probablemente no detectó sales de amonio porque se habrían sublimado durante el almacenamiento previo al análisis de las partículas que duró varios días. Por lo tanto, el nitrógeno en las sales de amonio no se contabilizó, disminuyendo la relación general N / C que se midió con COSIMA. Los autores proponen que las sales de amonio pueden constituir un depósito sustancial de nitrógeno en el cometa 67P, y posiblemente otros cometas y cuerpos pequeños, acercando su valor al de la relación N / C solar.

La profundidad de la banda de absorción del espectro de reflectancia, en la región de 3 micras, también llevó a los autores a restringir la cantidad de sales de amonio en la superficie del cometa a un límite superior del 40% del peso del cometa. Como se muestra en la Figura 3, un depósito de sales de amonio de entre el 10 al 30% del peso del cometa (que representaría más nitrógeno del que está disponible en los compuestos orgánicos no volátiles y especies volátiles como NH₃ y N₂) aumentaría el valor de N / C del cometa 67P a niveles consistentes con el valor solar de N/C.

Implicaciones más amplias

Varios cuerpos en el cinturón de asteroides, además de los asteroides troyanos de Júpiter y su pequeña luna Himalia, tienen espectros similares a los del cometa 67P, con una amplia línea de absorción de 3.1 a 3.2 micras, que también podría deberse a sales de amonio. El planeta enano Ceres tiene filosilicatos amoniados en su superficie, que pueden haberse formado a partir de iones de amonio heredados de objetos del sistema solar exterior con composiciones similares a las del cometa 67P. Si las sales de amonio también estuvieran presentes en suficiente abundancia en planetesimales durante el Sistema Solar temprano, habrían proporcionado una forma sólida de nitrógeno más cerca del Sol que los hielos N₂ y NH₃ más volátiles y, por lo tanto, estarían disponibles para la fomación planetaria.