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Química

Las simulaciones en el laboratorio permiten entender la composición de los cometas

El objetivo de la misión espacial Rosetta es aterrizar sobre el cometa 67P para realizar experimentos que permitan conocer mejor este tipo de cuerpos celestes, formados en las primeras etapas de nuestro sistema planetario. Se puede estudiar la composición de la materia de los cometas a partir de experimentos en laboratorios que simulen las reacciones que pueden suceder en estos astros. Investigadores de la UAB han participado en unas de estas simulaciones, los resultados de las cuales coinciden con algunos de los obtenidos por la sonda Philae en la superficie del cometa.

Referencias

Duvernay, F.; Rimola, A.; Theule, P.; Danger, G.; Sanchez, T.; Chiavassa, T. Formaldehyde chemistry in cometary ices: the case of HOCH2OH formation. Physical Chemistry Chemical Physics. 2014, vol. 16, num. 44, p. 24200-24208. doi: 10.1039/C4CP03031A.

La apuesta más reciente para entender la naturaleza y el origen de los cometas de la Agencia Europea del Espacio (ESA), junto con varias agencias europeas y la NASA, es la misión Rosetta. Esta tiene por objetivo aterrizar sobre el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko (¡algo inédito!) Para realizar varios experimentos científicos con el fin de tener un mejor y más profundo conocimiento sobre estos objetos primitivos.

Los cometas de nuestro sistema solar se formaron en las regiones más alejadas del disco protoplanetario, un disco constituido de polvo, hielo y gas que rodeaba el Sol joven, y de donde surgió el sistema planetario. Por tanto, estos cometas son testigos de primera mano para conocer más sobre las etapas tempranas de nuestro sistema planetario. Entre los 25 experimentos científicos que la misión Rosetta tiene previstos realizar, una decena están orientados al análisis fisicoquímico de la superficie, el subsuelo y la estructura interna del cometa, así como de los materiales y gases presentes en su coma y cola. Dado que los cometas se formaron a partir de la agregación de partículas sólidas de minerales, distintos geles y materia orgánica, estudiar las propiedades fisicoquímicas de la materia constituyente del cometa 67P es estudiar un legado de los materiales precursores de la formación de los planetas. Conocer qué tipo de materia orgánica contiene o cuál es la distribución isotópica del hidrógeno y el oxígeno que conforman el agua helada es importante para evaluar el posible rol de los cometas en el enriquecimiento de estos elementos en una Tierra primitiva, lo que tendría relación con la aparición de la vida.

El pasado 12 de noviembre de 2014, la sonda Rosetta liberó su “aterrizador”, llamado Philae, para posarse en una zona concreta del cometa que fue llamada Agilkia. Estaba previsto que el Philae quedara fijado en la superficie del cometa por medio de unos arpones. No obstante, el mecanismo de fijación no funcionó y el Philae rebotó sucesivamente hasta que una pared lo detuvo. Parece ser que el Philae no pudo fijarse porque los arpones fueron incapaces de perforar la superficie del cometa dada su extraordinaria dureza, lo que hace sospechar que a poca profundidad ya se encuentran hielos. Gracias a la pared, el Philae se detuvo, pero su inesperada ubicación hace que sus baterías solares sólo se carguen una hora y media diariamente. Actualmente, el Philae está en un período de hibernación forzado en espera de que la orientación del cometa respecto al Sol sea adecuada para cargar sus baterías secundarias (próximo julio). Sin embargo, antes de hibernar el Philae utilizó lo que le quedaba de energía para realizar algunos de los experimentos previstos, como analizar el contenido de deuterio presente en las moléculas de agua.

Entre la decena de instrumentos que el Philae contiene, uno es el ROSINA, un espectrómetro de masas que permite analizar los compuestos volátiles del cometa. De acuerdo con observaciones radioastronómicas realizadas en otros cometas, tales como el Hyakutake y el Hale-Bopp, estos compuestos volátiles pueden ser hielos de agua (H₂O) “sucios” con amoníaco (NH₃), monóxido de carbono (CO), formamida y metanol (H₂CO y CH₃OH) y otras moléculas orgánicas relativamente sencillas.

Una manera de estudiar la composición de la materia de los cometas es a partir de experimentos realizados en laboratorios terrestres que simulan reacciones que pueden suceder en las superficies de los cometas bajo las condiciones extremas del espacio. La interpretación de estas reacciones a escala molecular se efectúa mediante simulaciones computacionales basadas en métodos de la química cuántica.

En una colaboración entre el grupo de Química Bioinorgánica Computacional del Departamento Química de la UAB y el Groupe de Physique des Interactions Ioniques et Moléculairesde la Universidad de Marsella se ha estudiado desde un punto de vista experimental y teórico las reacciones que se dan en hielos constituidos por H₂O, NH₃ y H₂CO cuando se calientan progresivamente. Los experimentos, realizados en Marsella, se han realizado congelando gases de estos tres compuestos con diferentes composiciones y, a medida que se calentaba la mezcla (desde -258 a -78 ºC), se ha realizado un análisis in situ mediante técnicas de espectroscopia de infrarrojo y de espectrometría de masas para conocer los productos sintetizados.

Se han realizado tres experimentos cuyos resultados son los siguientes:
i) un hielo predominantemente de H₂O con una cierta cantidad de NH₃ y H₂CO de concentración similar da lugar a la formación de aminometanol (NH₂CH₂OH) y también, en menor medida, de los respectivos polímeros de cadenas cortas tales como la NH₂-(CH₂-O)₂-CH₂-OH;
ii) el mismo hielo pero con una concentración de H₂CO superior a la de NH₃produce la formación de metilan glicol (HOCH₂OH) y los respectivos polímeros cortos como el HO-(CH₂-O)₂-CH₂-OH;
iii) el mismo hielo pero en ausencia de NH₃no genera ningún producto.
 
A partir de trabajos previos conocemos que la formación del NH₂CH₂OH es el resultado de la reacción entre H₂CO y NH₃ y que el H₂O actúa de catalizador. En cambio, la formación del HOCH₂OH no estaba clara, como tampoco el papel del NH₃. Y es aquí donde los cálculos teóricos, realizados en la UAB, han tenido su papel. Estos cálculos han permitido simular las etapas de la reacción que da lugar a la formación del HOCH₂OH, mostrando que esta molécula se forma por reacción entre el H₂O y el H₂CO, mientras que el NH₃ actúa de catalizador. Se ha hallado que la reacción evoluciona a través de etapas diferentes a las de la formación del NH₂CH₂OH y que en ausencia de NH₃ la reacción es inviable, tal y como los resultados experimentales indican. Los cálculos teóricos, además, han permitido simular el espectro infrarrojo de un modelo de hielo de HOCH₂OH que se ha comparado con el espectro experimental. La muy buena concordancia entre el espectro experimental y el simulado es una prueba más de que lo que se ha formado es metilen glicol.

Estos resultados están en la línea de algunos experimentos realizados por Philae antes de hibernar, ya que se ha hallado que la superficie del cometa 67P está cubierta por capas de compuestos orgánicos y polímeros estables que contienen grupos carbono-hidrógeno (C-H) y oxígeno-hidrogen (O-H). Tendremos que esperar a nuevos experimentos para conocer con más exactitud la naturaleza de estos materiales, entre los que podrían encontrarse ciertamente el metilen glicol y sus polímeros.

Figura superior izquierda: Representación de la reacción de formación del metilen glicol en una mezcla de hielos de agua, amoníaco y formamida sobre la superficie del cometa 67P.

Albert Rimola
Grup de Química Bioinorgànica Computacional

Departamento de Química

Albert.Rimola@uab.cat