La neblina atmosférica de Titán, La luna más grande de Saturno (en la foto a lo largo de la sección media de Saturno), se captura en esta imagen de color natural (cuadro de la izquierda). Un nuevo estudio que involucró experimentos en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, ha proporcionado nuevas pistas sobre los pasos químicos que pueden haber producido esta neblina. Crédito:Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Instituto de Ciencias Espaciales, Caltech
La luna más grande de Saturno, Titán, es único entre todas las lunas de nuestro sistema solar por su atmósfera densa y rica en nitrógeno que también contiene hidrocarburos y otros compuestos, y la historia detrás de la formación de esta rica mezcla química ha sido fuente de cierto debate científico.
Ahora, una colaboración de investigación que involucra a científicos de la División de Ciencias Químicas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) se ha concentrado en un mecanismo químico de baja temperatura que puede haber impulsado la formación de moléculas de anillos múltiples, los precursores de moléculas más complejas química que ahora se encuentra en la capa de neblina marrón-naranja de la luna.
El estudio, codirigido por Ralf Kaiser en la Universidad de Hawaii en Manoa y publicado en la edición del 8 de octubre de la revista Astronomía de la naturaleza , va en contra de las teorías de que se requieren mecanismos de reacción de alta temperatura para producir la composición química que las misiones satelitales han observado en la atmósfera de Titán.
El equipo también incluyó a otros investigadores en Berkeley Lab, la Universidad de Hawaii en Manoa, Universidad de Samara en Rusia, y la Universidad Internacional de Florida. El equipo utilizó experimentos de luz ultravioleta al vacío en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, junto con simulaciones por computadora y trabajo de modelado para demostrar las reacciones químicas que contribuyen a la química atmosférica moderna de Titán.
"Aquí proporcionamos evidencia de una vía de reacción a baja temperatura en la que la gente no ha pensado, "dijo Musahid Ahmed, científico de la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley y codirector del estudio en la ALS. "Esto da lugar a un eslabón perdido en la química de Titán".
Titán puede dar pistas sobre el desarrollo de química compleja en otras lunas y planetas, incluida la Tierra, él explicó. "La gente usa Titán para pensar en una Tierra 'prebiótica', cuando el nitrógeno era más frecuente en la atmósfera de la Tierra primitiva".
Benceno, un hidrocarburo simple con una estructura molecular de un solo anillo de seis carbonos, se ha detectado en Titán y se cree que es un bloque de construcción para moléculas de hidrocarburos más grandes con estructuras de dos y tres anillos que, Sucesivamente, formó otros hidrocarburos y partículas de aerosol que ahora forman la atmósfera de Titán. Estas moléculas de hidrocarburos de anillos múltiples se conocen como hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP).
Este cuadro muestra los cálculos de las superficies de energía potencial en los procesos de reacción química que involucran radicales naftilo y gases de vinilacetileno. La combinación de estos gases puede producir una serie de compuestos, incluyendo estructuras moleculares de tres anillos. Crédito:Long Zhao, Ralf I. Kaiser, et al., Astronomía de la naturaleza , DOI:10.1038 / s41550-018-0585-y
En el último estudio, Los investigadores mezclaron dos gases, un HAP de dos anillos de vida corta conocido como radical naftilo (C10H7) y un hidrocarburo llamado vinilacetileno (C4H4), en el ALS, y produjo PAH de tres anillos en el proceso. Se infiere que los dos productos químicos utilizados para impulsar la reacción existen en Titán basándose en lo que se sabe sobre la composición química de su atmósfera.
Los experimentos de ALS arrojaron los productos finales de las reacciones de una pequeña cámara de reacción. Los investigadores utilizaron un detector conocido como espectrómetro de masas de tiempo de vuelo de reflectrón para medir la masa de fragmentos moleculares producidos en la reacción de los dos gases. Esas mediciones proporcionaron detalles sobre la química de los PAH de tres anillos (fenantreno y antraceno).
Mientras que los experimentos de ALS utilizaron un reactor químico para simular la reacción química y un haz de luz ultravioleta al vacío para detectar los productos de la reacción, Los cálculos y simulaciones de apoyo mostraron cómo los productos químicos formados en los experimentos de ALS no requieren altas temperaturas.
Los PAH, como los productos químicos estudiados en la ALS, tienen propiedades que los hacen particularmente difíciles de identificar en el espacio profundo. Dijo Kaiser. "De hecho, no Soltero, se ha detectado PAH individual en la fase gaseosa del medio interestelar, "que es el material que llena el espacio entre las estrellas.
Él agregó, "Nuestro estudio demuestra que los HAP están más difundidos de lo previsto, ya que no requieren las altas temperaturas que están presentes alrededor de las estrellas de carbono. Se prevé que este mecanismo que exploramos sea versátil y se espera que conduzca a la formación de PAH aún más complejos ".
Y debido a que los PAH se consideran precursores de la formación de nubes moleculares, las llamadas "fábricas moleculares" de moléculas orgánicas más complejas que pueden incluir los precursores de la vida tal como la conocemos, esto podría abrir teorías y nuevos modelos de cómo el carbono contiene material en el espacio profundo y en las ricas atmósferas de los planetas y sus lunas en nuestro sistema solar evoluciona y se origina, " él dijo.
Alexander M. Mebel, profesor de química en la Universidad Internacional de Florida y codirector del estudio, llevaron a cabo cálculos que mostraron cómo los reactivos pueden unirse de forma natural y formar nuevos compuestos a temperaturas muy bajas.
Los científicos han explorado la química en el trabajo cuando se combinan dos gases:uno compuesto por una estructura molecular de dos anillos conocida como radicales naftilo (arriba a la izquierda), y el otro compuesto por un hidrocarburo llamado vinilacetileno (abajo a la izquierda). Las esferas blancas representan átomos de hidrógeno y las esferas oscuras representan átomos de carbono. Detrás de estas representaciones moleculares en 3D hay una imagen de Titán, la luna de Saturno, tomada por la nave espacial Cassini de la NASA. Crédito:Wikimedia Commons, Laboratorio de propulsión a chorro de la NASA, Caltech, Instituto de Ciencias Espaciales, Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad John Hopkins, Universidad de Arizona
"Nuestros cálculos revelaron el mecanismo de reacción, "Mebel dijo." Demostramos que no se necesita ninguna energía para impulsar la reacción de naftilo y vinilacetileno, por lo que la reacción debería ser eficiente incluso en las condiciones atmosféricas de baja temperatura y baja presión en Titán ".
Una clave del estudio fue el modelado detallado de la celda del reactor donde se mezclaron los gases.
Mebel señaló que el modelado de las energías y las simulaciones de la dinámica del flujo de gas en juego dentro del reactor ayudan a monitorear el progreso de la reacción dentro del reactor, y permitió a los investigadores vincular estrechamente los resultados teóricos con las observaciones experimentales.
El trabajo de modelado, que ayudó a predecir los productos químicos producidos en las reacciones en función de los gases iniciales y la temperatura y presión de la cámara calentada donde los gases se mezclaron y golpearon con el haz ultravioleta de vacío, fue dirigido por el equipo de investigación de la Universidad de Samara.
"Esta verificación del modelo, by comparing it with experiments, can also be helpful in predicting how the reaction would proceed in different conditions—from Titan's atmosphere to combustion flames on Earth."
An aim of the continuing research, Kaiser said, is to unravel the details of how carbon-containing compounds with similar structures to DNA and RNA can develop even in extreme environments.
