C3H+ propynylidynium: le molecole aliene che qui non possono esistere

Nello spazio ci sono composti inaccessibili dalla Terra, che rivelano strutture atomiche sorprendenti e condividono la carica tra gli atomi in modi imprevisti. Letteralmente "molecole aliene" che non hanno un sprettro caratteristico come le altre. Come successo mentre si analizzavano gli spettri della Nnebulosa Testa di Cavallo  Dove un piccola linea non identificata a 89,957 gigahertz risultava un mistero, perché la molecola corrispondente era sconosciuta. Clara Moskowitz su scientificamerican commenta questi e altri risultati, che oltre ad ampliare le nostre conoscenze chimiche di base, potrebbero aiutarci a rispondere alle domande fondamentali sull'origine della vita

Qualcosa di strano si nascondeva nella Testa di Cavallo. La nebulosa, chiamata così per il suo profilo simile a quello di uno stallone, è una nuvola di polvere e gas distante 1500 anni luce dalla Terra dove nuove stelle nascono di continuo. È uno degli oggetti celesti più riconoscibili, e gli scienziati l'hanno studiato in modo approfondito. Nel 2011 gli astronomi dell'Institute of Millimeter Radioastronomy (IRAM), insieme con altri colleghi, l'hanno analizzata di nuovo. Con il telescopio da 30 metri dell'IRAM, nella Sierra Nevada spagnola, si sono concentrati su due porzioni della criniera del cavallo per rilevarne la radiazione elettromagnetica nello spettro delle onde radio. Non erano interessati a ottenere nuove immagini della Testa di Cavallo. Volevano ottenere gli spettri, cioè letture della luce scomposta nelle diverse lunghezze d'onda, che rivelano la composizione chimica della nebulosa. 

Visualizzati su un computer, i dati sembravano segnali sullo schermo di un dispositivo che monitora i battiti cardiaci; ogni picco dello spettro indicava che qualche molecola nella nebulosa aveva emesso luce di una particolare lunghezza d'onda. Ogni molecola nell'universo produce il proprio spettro caratteristico in base all'orientamento dei protoni, neutroni ed elettroni al suo interno. La maggior parte degli spettri della Testa di Cavallo erano facilmente attribuibili a composti chimici comuni, come monossido di carbonio, formaldeide e carbonio neutro. Ma c'era anche una piccola linea non identificata a 89,957 gigahertz. Era un mistero, perché la molecola corrispondente era sconosciuta.

Subito dopo aver visto i dati, Evelyne Roueff dell'Observatoire de Paris, e altri chimici del gruppo hanno iniziato a fare ipotesi su quale tipo di molecola potesse creare quel segnale, concludendo che doveva trattarsi di una molecola i cui atomi sono disposti in una catena lineare. 

Solo un certo tipo di molecola lineare poteva produrre lo spettro osservato. Lavorando su una lista di molecole probabili, sono arrivati a C3H+, o propynylidynium. Questo ione molecolare non è mai stato osservato prima. In effetti non c'era alcuna prova che potesse esistere. Se si potesse formare, sarebbe altamente instabile: sulla Terra, reagirebbe quasi istantaneamente con qualcos'altro per trasformarsi in specie più stabili. Ma nello spazio, dove la pressione è bassa e le molecole si scontrano raramente tra loro in modo da potersi legare, C3H+ potrebbe essere in grado di sopravvivere.

Roueff e colleghi hanno cercato di capire se la Nebulosa Testa di Cavallo contenesse ingredienti e condizioni giusti per formare la molecola. In un articolo pubblicato nel 2012 su "Astronomy & Astrophysics", hanno concluso che lo spettro osservato apparteneva probabilmente a C3H+. "Ero abbastanza sicura", dice Roueff. "Ma ci sono voluti due o tre anni per convincere tutti della correttezza delle nostra conclusioni".

 

In un primo momento, alcuni scettici hanno contestato l'annuncio: se C3H+ non era mai stato visto prima, come potevano essere sicuri che fosse vero? La scoperta decisiva è avvenuta l'anno scorso, quando ricercatori dell'Università di Colonia sono riusciti a creare C3H+ per breve tempo in laboratorio.

Non solo il risultato ha dimostrato che la molecola può esistere, ma ha anche permesso agli scienziati di misurare lo spettro che produce quando viene eccitata, lo stesso spettro scoperto nella Testa di Cavallo. "È gratificante scoprire una nuova molecola a cui non si è mai pensato prima", dice Roueff. "Quando si è in grado di identificarla solo con un ragionamento logico, è un po' come essere un investigatore".

Una molecola aliena è stata scoperta, dunque. Ma altre potrebbero seguire, perché la Nebulosa Testa di Cavallo non è qualcosa di bizzarro. Ovunque guardino nell'universo, gli astronomi rilevano righe spettrali non identificate. I composti familiari a noi esseri umani, le specie responsabili della grande diversità di materiali su questo pianeta, sono solo una frazione di quelli che la natura ha creato. E finalmente, dopo decenni di lavoro per sviluppare modelli teorici e tecniche di simulazione al computer, insieme a esperimenti di laboratorio con cui riprodurre nuove molecole, gli astrochimici stanno dando un nome a molte di quelle linee non identificate.

 

Spazio vuoto

Fino agli anni sessanta, la maggior parte degli scienziati dubitava del fatto stesso che nello spazio interstellare potessero esistere molecole: si riteneva che la radiazione fosse troppo intensa per la sopravvivenza di qualsiasi cosa oltre agli atomi e semplici radicali liberi. Nel 1968, il fisico e premio Nobel Charles Townes dell'Università della California a Berkeley, morto all'inizio di quest'anno, decise comunque di cercare molecole nello spazio.

"Avevo la sensazione che la maggior parte degli astronomi di Berkeley pensasse che la mia idea fosse un po' strampalata", ha ricordato Townes nel 2006 in una relazione per l'Astronomical Society of the Pacific. Ma andò avanti, costruendo un nuovo amplificatore per l'antenna da sei metri dell'Hat Creek Radio Observatory, in California, che rivelò la presenza di ammoniaca nella nube Sagittario B2. "Fu facile e anche emozionante", ha scritto Townes. "Mezzi di informazione e scienziati iniziarono a chiamarci".

 

Da allora, gli astronomi hanno scoperto più di 200 tipi di molecole che fluttuano nello spazio. Molte sono assai diverse dalle specie osservate sulla Terra.

 

"Di solito, facciamo chimica basata sulle condizioni che abbiamo sulla Terra", spiega Ryan Fortenberry, astrochimico della Georgia Southern University. "Quando ci allontaniamo da questo paradigma, le sostanze che si possono produrre sono senza limiti. Se riesci a sognare una molecola, non importa quanto sia bizzarra, c'è una probabilità finita che, nel corso degli eoni di tempo, nell'immensità dello spazio, sia esistita da qualche parte".

Lo spazio è letteralmente un ambiente alieno. Le temperature possono essere molto, molto più alte che sulla Terra (come avviene nell'atmosfera di una stella) oppure molto, molto più basse (nello spazio interstellare relativamente vuoto). Analogamente, le pressioni (estremamente alte o basse) sono assai lontane da quelle terrestri. Di conseguenza, nello spazio si possono formare molecole che non sarebbero mai emerse sul nostro pianeta, e possono sopravvivere per un po' di tempo, anche se sono altamente reattive.

"Possono passare anni e anni prima che una molecola possa collidere con un'altra nello spazio interstellare", spiega Timothy Lee, astrofisico dell'Ames Research Center della NASA. "Potrebbe essere in una regione in cui non c'è radiazione, e quindi sopravvivere per lungo tempo, anche se non è stabile".

 

Queste molecole spaziali, una volta identificate, possono insegnarci molto. Alcune potrebbero rivelarsi utili, se gli scienziati potessero sintetizzarle laboratorio per capire come sfruttarne le proprietà. Altre molecole possono contribuire a spiegare le origini dei composti organici che hanno dato origine alla vita sulla Terra. E tutte permettono di ampliare i limiti del possibile per la chimica nell'universo.

Telescopi che cambiano la prospettiva

Negli ultimi dieci anni, via via che si sono resi disponibili nuovi e potenti telescopi, in grado di osservare le linee spettrali più deboli, la ricerca di molecole aliene ha sperimentato un'accelerazione.

"È periodo d'oro per l'astrochimica", dice Susanna Widicus Weaver che guida un gruppo di astrochimici dell'Emory University. I dati ora disponibili, dice, sono un enorme miglioramento rispetto a solo una decina di anni fa, quando ha completato il dottorato. Lo Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) della NASA, montato su un Boeing 747SP, ha iniziato a osservare nello spettro infrarosso e nelle microonde nel 2010, l'Herschel Space Observatory dell'Agenzia spaziale europea è stato lanciato in orbita nel 2009 per osservare le stesse lunghezze d'onda.

Lo strumento che però ha cambiato le carte in tavola è l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una costellazione di 66 antenne radio inaugurata nel 2013 nel deserto di Atacama, in Cile, sull'altopiano di Chajnantor. A circa 5.200 metri sul livello del mare, le antenne di ALMA ruotano in modo sincronizzato via via che i ricercatori registrano la luce proveniente dagli oggetti cosmici.

 

Questo è il luogo più arido del mondo: i cieli notturni sono molto scuri e l'aria è cristallina per la mancanza di umidità, il che permette di catturare la radiazione senza disturbi, conferendo al telescopio una sensibilità e una precisione senza precedenti nelle lunghezze d'onda dall'infrarosso allo spettro radio. Per ogni pixel delle sue foto, ALMA crea sia un'immagine visiva sia uno spettro, producendo così decine di migliaia di profili spettrali in ogni campo di vista osservato.

"È un lavoro meraviglioso e schiacciante allo stesso tempo", spiega Widicus Weaver. "Questi gruppi di dati sono così grandi che spesso occorre inviarli ai ricercatori su dispositivi rigidi di memoria perché non si riescono a scaricare". Il flusso di dati fornisce una vasta gamma di nuove linee spettrali che possono essere analizzate dagli astrochimici. Ma queste linee sono inutili per gli scienziati, a meno che non sia possibile determinare quali molecole li hanno prodotti, un po' come avviene con le impronte digitali non identificate sulla scena di un crimine.

Trovare un collegamento

Per abbinare molecole a queste linee, gli scienziati hanno poche opzioni. Come nel caso di C3H+, gli astrochimici potrebbero iniziare dalla teoria, usando le indicazioni ottenute dallo spettro per fare ipotesi su quale molecola possa esserci dietro. Una tecnica chiamata chimica quantistica ab initio (ab initio in latino significa "dall'inizio") permette agli scienziati di iniziare dalla pura meccanica quantistica, la teoria che descrive il comportamento delle particelle subatomiche, per calcolare le proprietà di una molecola in base ai movimenti di protoni, neutroni ed elettroni negli atomi che la compongono. Con un supercomputer, gli scienziati possono effettuare simulazioni ripetute di una molecola, variando finemente struttura e disposizione delle sue particelle, e analizzare i risultati per trovare la geometria ottimale di un composto. "Con la chimica quantistica non siamo limitati da quello che possiamo sintetizzare, ma solo dalle dimensioni delle molecole: abbiamo bisogno di grande potenza di calcolo", sottolinea Fortenberry.

I ricercatori possono anche cercare le prove concrete di nuove molecole sintetizzandole in laboratorio e misurandone direttamente le caratteristiche spettrali. Una tecnica comune è iniziare con un contenitore riempito di gas, al cui interno è fatta passare una corrente elettrica. Un elettrone nella corrente potrebbe collidere con una molecola di gas e rompere il suo legame chimico, dando origine a qualcosa di nuovo. I ricercatori mantengono il gas a bassissima pressione in modo che eventuali sostanze che si formano abbiano la possibilità di sopravvivere per qualche istante prima di collidere con altre molecole e reagire. Gli scienziati a quel punto inviano radiazione elettromagnetica di diverse lunghezze d'onda nella camera per misurare lo spettro di quello che si trova all'interno.

 

"Si può arrivare a produrre in laboratorio la stessa molecola che c'è nello spazio, senza sapere necessariamente di che molecola si tratti", chiarisce Michael McCarthy, fisico dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "A quel punto bisogna provare a dedurre la composizione elementare da una combinazione di diversi esperimenti di laboratorio con differenti campioni."

 

Nel 2006 McCarthy e colleghi hanno creato la molecola carica negativamente C6H- e hanno misurato il suo spettro. Poco dopo hanno trovato le stesse caratteristiche spettrali nella Nube molecolare interstellare del Toro, a circa 430 anni luce di distanza da noi. Ricerche precedenti per molecole negative nello spazio non avevano dato risultati, quindi molti scienziati dubitavano che potessero esistere in numero significativo.

 

"Da quel risultato si sono generate diverse scoperte, grazie a cui siamo riusciti a rilevare molecole simili in laboratorio e poi nello spazio", spiega McCarthy. Il suo gruppo ha ora scoperto C6H- in più di una decina di sorgenti cosmiche.

Nel 1980, scienziati che cercavano di ottenere nuove sostanze chimiche produssero la molecola 36ArH+, uno strano composto normalmente non presente sulla Terra, in cui l'idrogeno si combina con l'argon, gas di solito inerte. Nel 2013 alcuni astronomi hanno scoperto questa molecola nello spazio, prima nella Nebulosa del Granchio e poi in una galassia lontana, grazie alle osservazioni di ALMA.

Composti a base di gas nobili si formano solo in circostanze molto specifiche; gli scienziati pensano che nello spazio, particelle ad alta energia elettricamente cariche chiamate raggi cosmici collidano con l'argon e ne strappino elettroni, permettendo così il legame con l'idrogeno. Per questo motivo, se gli scienziati rilevano 36ArH+ in una regione di spazio, si può supporre che il posto sia bersagliato da raggi cosmici. "È un indicatore molto specifico di queste circostanze che sono molto importanti nello spazio", spiega Holger Müller dell'Università di Colonia, leader del gruppo dietro la scoperta con ALMA.

Un nuovo mondo di molecole

Molte delle molecole presenti nelle stelle e nelle nebulose sono assai esotiche. Chiedere quale aspetto avrebbero o come si comporterebbero se potessimo averle qui è senza senso, perché reagirebbero all'istante. Inoltre, se riuscissimo ad avere un contatto con loro, si rivelerebbero quasi certamente tossiche e cancerogene. Stranamente, però, gli scienziati hanno una vaga idea dell'odore che potrebbero avere: molte di quelle rilevate finora appartengono a una classe di composti chiamati aromatici, derivati dal benzene (C6H6), così chiamati in origine per il loro forte odore.

Alcuni nuovi composti rivelano strutture atomiche sorprendenti e condividono la carica tra gli atomi in modi imprevisti. A volte sfidano le attuali teorie del legame molecolare. Un esempio recente è la molecola SiCSi, scoperta nel 2015 in una stella morente, costituita da due atomi di silicio e un atomo di carbonio legati in modo inaspettato. La molecola risultante è piuttosto elastica e produce uno spettro differente da quello previsto da semplici modelli teorici.

 

Le molecole spaziali possono aiutare a rispondere a una delle domande fondamentali sull'universo: com'è iniziata la vita?

Gli scienziati non sanno se gli amminoacidi, i mattoni fondamentali degli organismi viventi, abbiano avuto origine prima sulla Terra oppure nello spazio, e siano poi stati portati sul nostro pianeta da comete e meteoriti.

"La grande domanda è: si formano nelle nubi molecolari mentre si forma una stella oppure si formano una volta che si abbia un pianeta o qualche altro pezzo di roccia sulla cui superficie possono avvenire reazioni chimiche?" chiede Widicus Weaver.

 

La risposta è determinante per capire se è probabile che gli amminoacidi siano abbondanti e accessibili nell'universo in modo da dare origine alla vita sulla miriade di pianeti extrasolari, o se la chimica da cui siamo nati è possibile solo nella nostra "culla planetaria". Gli astrochimici hanno già individuato segni di amminoacidi nello spazio e sequenze di molecole che potrebbero aver dato loro origine.

Per concludere, forse alcune specie rare potrebbero rivelarsi utili se potessero essere create in grandi quantità e tenute in condizioni controllate. "La grande speranza dell'astrochimica è che si possano scoprire molecole che hanno proprietà nuove, applicabili ai problemi che abbiamo sulla Terra", spiega Fortenberry. Un esempio sono le molecole "buckyball", a forma di pallone da calcio. Questi grandi agglomerati di 60 atomi di carbonio fecero la loro comparsa nel 1985 in un laboratorio, garantendo ai loro scopritori un premio Nobel. Quasi un decennio dopo, gli astronomi hanno osservato caratteristiche spettrali di gas interstellare che sembravano compatibili con la presenza di queste molecole sferiche dotate di carica positiva, e il collegamento è stato confermato a luglio scorso, quando queste caratteristiche sono risultate associate agli spettri di buckyball create in laboratorio in condizioni simili a quelle presenti nello spazio.

 

"Questa molecola si trova in tutta la galassia e in tutto l'universo", dice Harold Kroto, uno degli scienziati che scoperto le buckyball, professore di chimica presso la Florida State University. Ultimamente, queste molecole sono diventate più che una curiosità scoperta nello spazio, ora sono anche uno strumento pratico per la nanotecnologia, utili per rendere più forti i materiali e migliorare le celle solari, e interessanti anche per il settore farmaceutico.

Gli astrochimici stanno ancora testando le acque poco profonde nel grande mare di molecole presenti nello spazio. I risultati fin qui emersi ci ricordano che il nostro piccolo angolo di cosmo è proprio questo: un esempio insignificante, e non necessariamente rappresentativo di quello che è possibile. Forse le specie che ci sono familiari sulla Terra sono in realtà quelle esotiche, mentre buckyball, C3H+ della Nebulosa Testa di Cavallo e altri composti ancora sconosciuti sono materia ordinaria dell'universo.

Bibliografia e fonti

Versione in italiano tratta e tradotta dall'originale di Scientificamerican 11/12/2015
Traduzione a cura di Le Scienze.

Scrivi commento

Commenti: 0