2 de agosto de 2010
Ames RC / NASA
Los científicos ponen a disposición, en Internet, una colección de espectros infrarrojos, única en su especia, producida en el Centro de Investigación Ames, de la NASA, (www.astrochemistry.org/pahdb). Al replicar las duras condiciones del frío espacio interestelar en sus laboratorios y equipos, científicos de la NASA crearon una colección única de espectros de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) principalmente para interpretar la misteriosa emisión infrarroja detectada en tierra, aire y observatorios espaciales.
Además de ser de gran interés para los astrónomos, el valor de la base de datos de espectros de HAP se extiende mucho más allá de las necesidades inmediatas de la NASA y de la astronomía. Una base de datos de espectros de HAP tiene un conjunto amplio y muy diverso de importantes aplicaciones. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos son un importante producto de la combustión, permanecen en el medio ambiente, y son cancerígenos. En consecuencia, son importantes, por ejemplo, para los científicos, educadores, los responsables políticos y consultores que trabajan en los campos de la medicina, salud, química, composición del combustible, motor de diseño, evaluación ambiental, vigilancia y protección del medio ambiente. Esta base de datos de HAP es una nueva herramienta para personas que trabajan en todos estos campos.
El sitio web contiene más de 800 espectros de hidrocarburos aromáticos policíclicos en estado neutro y eléctricamente cargados y las herramientas para descargar espectros HAP que van entre temperaturas desde 0 a 800 K. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos son moléculas de tamaño nanométrico, planas y con forma de alambrado de gallinero (cadenas de hexágonos). Gracias a estos espectros, los hidrocarburos aromáticos policíclicos son ahora conocidos por ser abundantes en todo el Universo pero con frecuencia en formas exóticas con las que no se presentan en la Tierra. Se piensa que son producidos en los flujos salientes de las estrellas ricas en carbono por procesos similares a la combustión en llamas deficientes de oxígeno que producen los hollines ricos en HAP, en la Tierra.
Las observaciones astronómicas en la década de 1970 y 1980 descubrieron una misteriosa radiación infrarroja desde el espacio. Mientras que la marca infrarroja había insinuado que los hidrocarburos aromáticos policíclicos podrían ser responsables, se disponía de espectros de laboratorio de sólo un pequeño puñado de hidrocarburos aromáticos policíclicos individuales para probar esta idea. Para empeorar las cosas, eran sólo de hidrocarburos aromáticos policíclicos neutros, no para el tipo de hidrocarburos aromáticos policíclicos esperados en el espacio interestelar: moléculas individuales eléctricamente cargadas, libres y muy frías, sumergidas en el gas. Los únicos espectros disponibles, en ese momento, eran de diminutos cristales conteniendo muchas moléculas de HAP pegadas, suspendidas en pellets de aceites y sales - estos HAPs no estaban ni aislados, ni fríos ni cargados. A mediados de 1990, observaciones desde el espacio, mostraron que esta emisión infrarroja era sorprendentemente común y extendida por el Universo, implicando que su transportista desconocido era abundante e importante. Se necesitaba que los espectros de HAP medidos lo fueran bajo condiciones astronómicas para poder avanzar en la comprensión de ésto.
Para proporcionar estos espectros, un equipo de científicos dirigido por Louis Allamandola, en el Centro de Investigación Ames, de la NASA, desarrolló un programa a finales de la década de 1980 para medir los espectros de HAP en condiciones astronómicas simuladas experimentalmente y con software computacional. Este equipo, de 7 miembros, se componía de expertos de muchos campos diferentes. “Este grupo ha hecho un enorme esfuerzo, en los últimos 5 años, para crear esta base de datos accesible en la web”, dijo Allamandola. “Ahora hay unos 800 espectros en la base de datos. Seiscientos de ellos han sido calculados teóricamente y doscientos han sido medidos en el laboratorio. Los espectros teóricos abarcan el rango de 2 a 2000 micrones, la cobertura de espectros experimentales es de 2 a 25 micrones”.
Christiaan Boersma, salido de la Universidad de Groningen, en Holanda, es ahora un Becario Postdoctoral de la NASA, en Ames. Él es uno de los tres astrónomos del equipo que utilizan habitualmente los espectros de HAP, de la base de datos, para interpretar las observaciones astronómicas. Diseñó y desarrolló muchas partes de la página actual y sus herramientas de usuario. Boersma dijo, ”Los espectros de la base de datos han dado ideas sobre la composición de los hidrocarburos aromáticos policíclicos en el espacio que eran imposibles de obtener de cualquier otra manera. En un futuro próximo, será especialmente valioso para la interpretación de las observaciones realizadas por el nuevo observatorio aerotransportado la NASA: el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja ó SOFIA; y por el telescopio Herschel, de la Agencia Espacial Europea, ESA. Estos telescopios son pioneros en la región de la radiación de infrarrojo lejano, abriendo una ventana nueva en el cielo. Dado que la base de datos muestra que los hidrocarburos aromáticos policíclicos tienen muchas transiciones en el infrarrojo lejano, se sumarán a los pioneros descubrimientos realizados por estos observatorios”.
En cuanto a la web y la base de datos, explicó Boersma, “hemos intentado hacer el sitio web fácil de usar y tan útil como sea posible. En vez de presentar tablas largas de números y permitir que los usuarios los ordenen a través de él, los usuarios del sitio gráficamente pueden interactuar con los datos. La base de datos puede ser interrogada utilizando varios criterios, como carga de HAP, composición y marcas espectrales. Incluso, varias herramientas permiten a los usuarios hacer algunos análisis iniciales en línea. Por ejemplo, los espectros pueden combinarse para crear un espectro ‘compuesto’ que puede compararse directamente con uno desconocido. Además, todos los datos pueden descargarse. Tenemos la intención de ampliar la base de datos con nuevos conjuntos de datos periódicamente y planeamos añadir herramientas más útiles en el camino”, concluyó Boersma.
Charles Bauschlicher, Jr., también del Centro Ames, de la NASA, es uno de los primeros químicos computacionales en calcular los espectros infrarrojos de hidrocarburos aromáticos policíclicos y sus iones. Utilizando cálculos de química cuántica, él y Alessandra Ricca, del Instituto SETI, calcularon todos los espectros en la porción computacional de la base de datos. Bauschlicher describió la historia del esfuerzo computacional diciendo “cuando comenzamos este proyecto, nuestra expectativa era ayudar a interpretar los espectros experimentales, pero con el tiempo, nuestras capacidades computacionales crecieron hasta un punto que somos capaces de estudiar moléculas mucho mayores que las que pueden ser estudiadas en el laboratorio. Además, pronto utilizábamos la teoría para el estudio de especies que son muy difíciles de crear y medir en un laboratorio, pero podrían ser comunes en el espacio”. Ricca agregó, “Estoy muy entusiasmada por el futuro de esta investigación, porque sólo hemos arañado la superficie de la teoría de lo que puede contribuir a nuestra comprensión de los hidrocarburos aromáticos policíclicos. Por ejemplo, estamos ahora estudiando aglomerados de hidrocarburos aromáticos policíclicos grandes y HAP individuales extremadamente grandes que contienen más de 100 átomos de carbono”.
Andrew Mattioda, también del Centro Ames, de la NASA, y Douglas Hudgins, trabajando ahora en la sede de la NASA en Washington DC, ambos físicoquímicos experimentales, midieron todos los espectros de la parte experimental de la base de datos en condiciones astrofísicamente relevantes. Mattioda explicó, “logramos esta hazaña al aislar primero las moléculas en una matriz inerte, a temperaturas muy bajas, casi 0 K, muy parecidas a las moléculas aisladas en el espacio. A continuación, medimos los espectros de los HAP neutros e ionizados”. Su trabajo experimental incluyó hidrocarburos aromáticos policíclicos que contenían un átomo de nitrógeno en el marco de la molécula, moléculas conocidas como HAPNs. Mattioda agrega, “aunque los HAPNs son más peligrosos, biológicamente hablando, sus contrapartes de HAP son tan importantes en bioquímica, como en la búsqueda de vida en otros lugares del Universo. Nuestra investigación de laboratorio ha revelado propiedades espectroscópicas y electrónicas previamente desconocidas de los hidrocarburos aromáticos policíclicos y de los HAPNs. Estamos reescribiendo los libros de texto de química orgánica en lo que concierne a compuestos policíclicos”. Del punto de vista de Mattioda, “dados los procesos biológicos que se basan en las moléculas de tipo de HAP, la comprensión de la distribución de hidrocarburos aromáticos policíclicos en el Universo podría proporcionar conocimientos sobre la distribución de la vida en el Universo”.
Els Peeters, ex becaria posdoctoral del Centro Ames, de la NASA, ahora es profesora de Astronomía en la Universidad de Ontario Occidental y está ligada al Instituto SETI. Peeters fue pionera en la aplicación del laboratorio y la base de datos espectral teórica para espectros astronómicos y había guiado la dirección de su expansión desde la perspectiva del astrónomo. Analizando datos observacionales obtenidos con el Observatorio Espacial Infrarrojo y el telescopio espacial Spitzer, identificó varias clases de espectros astronómicos de HAP que están relacionados con diferentes tipos de objetos astronómicos. “Igual que con el análisis de la escritura a mano y el lenguaje”, explicó Peeters,”comparando la marca espectral de cada uno de estos objetos astronómicos diferentes con las marcas de diferentes HAP, en la base de datos, hemos podido determinar con precisión los tipos de hidrocarburos aromáticos policíclicos en estos objetos. Cuando te das cuenta de que esto no sólo funciona en nuestra galaxia, la Vía Láctea, sino a lo largo del Universo, es bastante sorprendente”. Peeters continuó, “ahora somos capaces de utilizar cada letra en la marca para que nos brinde información específica acerca de los hidrocarburos aromáticos policíclicos en el espacio, su carga eléctrica, tamaño, forma y así sucesivamente. Además, encontramos las pequeñas discrepancias, pero reales, con la base de datos espectral, que indica que faltaba algo. Trayendo toda esta información sobre esta emisión cósmica se han revelado los tipos y las cantidades de diferentes hidrocarburos aromáticos policíclicos presentes en el espacio y cómo evolucionan desde su sitio de nacimiento de estrellas gigantes rojas, en el medio interestelar entre las estrellas y en última instancia en las regiones de formación estelar y discos proto-planetarios”. Y Peeters concluyó, “gracias a esta síntesis de los datos de laboratorio con las observaciones astronómicas, al igual que un meteorólogo utiliza imágenes de satélite para pronosticar el clima, estas bandas de emisiones se están transformando en una herramienta de diagnóstico para sondear las condiciones ambientales locales en nuestra galaxia, la Vía Láctea, en las galaxias cercanas y en todo el Universo distante”.
Jan Cami, ex becario postdoctoral del Centro Ames, de la NASA y, ahora, profesor de Física y Astronomía en la Universidad de Ontario Occidental y ligado al Instituto SETI, sentó las bases conceptuales de la base de datos y el sitio Web. Desarrolló algoritmos para que coincidan las observaciones astronómicas con espectros de la base de datos, y que la comparación diga precisamente cuántos hidrocarburos aromáticos policíclicos de cada tipo están presentes en diversos objetos astronómicos. Él explica: “la posibilidad de reproducir casi perfectamente las observaciones astronómicas con experimentos de laboratorio basados en la Tierra y cálculos teóricos es muy gratificante. Eso hace única a la base de datos de HAP Ames, de la NASA, – es la base de datos única en el mundo con la suficiente información de HAP relevantes para ambientes astrofísicos. No sólo eso, la base de datos nos dice qué tipo de hidrocarburos aromáticos policíclicos parecen andar juntos y en qué rincón del Universo lo hacen. Y eso ha llevado a algunos resultados científicos inesperados: por ejemplo, ahora podemos decir que una fracción significativa de estos hidrocarburos aromáticos policíclicos en el espacio están cargados negativamente, que fue considerado muy improbable hasta ahora. También podemos mostrar que la emisión en ciertas longitudes de onda se origina en moléculas más pequeñas, mientras que las moléculas más grandes dominan otras gamas de longitudes de onda… Hay un aspecto de humildad en la base de datos – cuando llega a ustedes que hay tantas moléculas de HAP en algunos de estos objetos astronómicos enormes como en nuestros experimentos de laboratorio terreno”.
Douglas Hudgins se unió al equipo a principios de la década de 1990. Fue pionero en las técnicas experimentales que ahora se utilizan rutinariamente, en muchos laboratorios, para medir los espectros de HAP, en condiciones extraterrestres. Hudgins, ahora es científico del Programa en la sede de la NASA en Washington DC, y está emocionado por ver que la base de datos de Ames llega a buen término. “La razón por la cual la División Astrofísica de la NASA apoya la investigación de laboratorio es porque los datos resultantes son esenciales para analizar e interpretar las observaciones de los observatorios espaciales de la NASA. Realmente, hacer los experimentos o los cálculos, es sólo una parte de la tarea; sin embargo, tan importante es tener esos datos en manos de los científicos en un formato útil y conveniente para que pueda ponerlos a trabajar. Esta nueva base de datos hará exactamente eso. Es la culminación de una visión que Lou y yo tuvimos hace veinte años, cuando empezamos en esta aventura”.
“Empezamos este trabajo motivados en probar la hipótesis de HAP y, si surgiera , proporcionar los espectros necesarios para explotar el modelo de HAP y desarrollarlo en un nuevo sondeo de la gran variedad y gran número de objetos astronómicos que mostraran el espectro de emisión de HAP. Este campo ha explotado mucho más allá de mis sueños más salvajes y, en mi opinión, esta colección espectral es lo que rompió el hechizo que la Astroquímica se limitaba a especies simples y marginales de la Astrofísica”. Allamandola, dijo. “Gracias a la increíble sensibilidad del telescopio espacial Spitzer, la marca de HAP es vista en todo el Universo, eliminando cualquier duda de la importancia de estas especies. Hay pruebas incluso de la emisión de HAP de galaxias muy distantes con corrimientos al rojo de 3, que indican que estas moléculas orgánicas complejas se produjeron unos pocos millones de años después del Big Bang. Esto significa que había suficiente carbono disponible para impulsar una química orgánica rica mucho antes, en la historia del Universo, de lo que la gente pensaba hace sólo unos años. Cuando se considera que el descubrimiento de la variedad de las simples moléculas de jardín, como el amoníaco (NH 3), el formaldehído (H 2CO) y el monóxido de carbono (CO) en el espacio fueran los titulares en los 60 y 70, es increíble. Hasta entonces, se pensaba que el espacio era químicamente estéril. Si esto no es suficiente, como muestra la galaxia M82, Spitzer ha demostrado que incluso hay hidrocarburos aromáticos policíclicos en el espacio ¡entre las galaxias! Más allá de la duda, los hidrocarburos aromáticos policíclicos son una parte importante de la Astrofísica moderna”.
Las observaciones pioneras realizadas por el Observatorio Espacial Infrarrojo Europeo (ISO) y la sensibilidad sin precedentes del telescopio espacial Spitzer de la NASA (SST), han visto la marca infrarroja de HAP en muchos objetos astronómicos dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea y de la mayoría de las otras galaxias del Universo. Estas herramientas de base de datos y usuario verán su uso inmediato por parte de astrónomos de todo el mundo mientras sondean emisiones HAP hasta el borde del Universo, con telescopios cada vez más sensibles.
La base de datos y las herramientas estarán disponibles en la web en www.astrochemistry.org/pahdb, a partir del 2 de agosto de 2010. Un artículo científico que describe el sitio Web y los detalles acerca de los espectros computacionales en la base de datos, se publicará Astrophysical Journal Supplement Series, ese mismo día. Los detalles acerca de los espectros experimentales en la base de datos se describirán en una próxima publicación.
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Etiquetas: química espacial
