Algo extraño estaba escondido en la Cabeza de Caballo. La nebulosa, llamada así por su silueta similar a la de un semental, es una imponente nube de polvo y gas a 1.500 años-luz de la Tierra, donde contínuamente nacen nuevas estrellas. Es uno de los objetos celestes más reconocibles, y los científicos la han estudiado intensamente.

Pero en 2011 los astrónomos del Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM) y de otros lugares la exploraron de nuevo. Con el telescopio de 30 metros (de diámetro) del IRAM, en Sierra Nevada (España), se dirigieron hacia dos porciones de la crin del caballo. No estaban interesados en tomar más fotos de la Cabeza de Caballo; en cambio, estaban detrás del espectro, esto es, lecturas de luz desintegrada en sus longitudes de onda constituyentes, que revelan la composición química de la nebulosa. Mostrados en pantalla, los datos parecían picos en un monitor cardíaco; y cada gráfico —llamado espectro— indicaba que alguna molécula en la nebulosa había emitido luz de una determinada longitud de onda.

Cada molécula en el universo genera sus propios picos —que forman su espectro característico— basados en la orientación de los protones, neutrones y electrones en su interior. La mayoría de los datos de Cabeza de Caballo fueron fácilmente atribuibles a compuestos químicos comunes, como monóxido de carbono, formaldehído y carbón neutral. Pero también había una pequeña línea no identificado a 89.957 gigahercios. Era un misterio; una molécula completamente desconocidas para la ciencia.

Inmediatamente después de ver los datos, Evelyne Roueff, del Observatorio de París, y otros químicos del equipo comenzaron a teorizar sobre qué tipo de molécula podría crear esa señal. Llegaron a la conclusión de que el espécimen desconocido debía ser una molécula lineal, un compuesto cuyos átomos están dispuestos en una cadena recta. Sólo cierto tipo de molécula lineal produciría el patrón espectral que los químicos estaban viendo.

Después de trabajar a través de listas de posibles moléculas, dieron con C3H+, el propynylidynium . Este ión molecular nunca se había visto antes. De hecho, no había pruebas de que existía en absoluto. Si se podía formar, sería altamente inestable.  

En la Tierra reaccionaría casi de inmediato con otro elemento, para transformarse en algo más estable. Pero en el espacio, donde la presión es baja y las moléculas rara vez se encuentran con algo para vincularse, C3H+ podría ser capaz de sobrevivir.

Los astrónomos que observaban la nebulosa Cabeza de Caballo con un radiotelescopio en España vieron la firma química de una molécula misteriosa. El telescopio devolvió datos espectroscópicos, un gráfico lineal que representa la intensidad de la luz que viene de la nebulosa en una gama de longitudes de onda. Fuertes aumentos en la luz, como los que se muestran aquí, indican la presencia de una molécula específica cuyas propiedades químicas le permiten emitir esa luz de longitud de onda particular. Después de mucha investigación, los científicos fueron capaces de determinar que este rasgo lineal no identificado viene del compuesto C3H+ nunca antes visto, y que sólo existe en el espacio.

Roueff y sus colegas estudiaron si la nebulosa Cabeza de Caballo contenía los ingredientes y condiciones adecuadas para formar la molécula. En 2012 publicaron un artículo en Astronomy & Astrophysics en el que concluían que el espectro que vieron probablemente pertenecía a C3H+. “Yo estaba relativamente confiada de mí misma”, dice Roueff. “Pero fueron necesarios dos a tres años para convencer a todos de que teníamos la identificación correcta”.

Al principio, algunos escépticos cuestionaron la afirmación. Si C3H+ nunca se había visto antes, ¿cómo podrían estar seguros de que era eso? El factor decisivo llegó el año pasado, cuando los investigadores de la Universidad de Colonia, en Alemania, lograron crear C3H+ muy brevemente en un laboratorio. La hazaña no solo prueba que podría existir la molécula, sino también permitió que los científicos midieran el espectro que produce cuando se excita, el mismísimo espectro que se presentó en la nebulosa Cabeza de Caballo. “Es muy gratificante encontrar una nueva molécula que realmente nunca habíamos considerado”, dice Roueff. “Cuando eres capaz de identificarla mediante una cadena lógica es como ser un detective”.

Una molécula extraterrestre hallada, y muchas, muchás más por venir. La nebulosa Cabeza de Caballo no es una aberración. Casi en cualquier parte del universo hacia donde miren los astrónomos —si observan lo suficientemente cerca— ven líneas espectrales no identificadas. Los compuestos con los que los humanos estamos familiarizados, los elementos responsables de la enorme diversidad de materiales en este planeta, son solo una fracción de aquellos que creó la naturaleza. Y finalmente, después de décadas de trabajo desarrollando modelos teóricos y técnicas de simulación por computadora, junto con experimentos en laboratorio para reproducir nuevas moléculas, los astroquímicos están poniendo nombres a muchas de esas líneas no identificadas.

Espacio vacío

Tan recientemente como en los 60, la mayoría de los científicos dudaba incluso que las moléculas pudieran existir en el espacio. Se pensaba que allí la radiación era demasiado hostil como para que pudiera sobrevivir cualquier cosa más allá de átomos y unos pocos radicales libres básicos. De todos modos, en 1968, el físico Charles Townes, de la Universidad de California, Berkeley, decidió buscar moléculas en el espacio. “Tengo la sensación de que la mayoría de los astrónomos de Berkeley pensaba que mi idea era un poco salvaje”, recordó Townes, premio Nobel que murió a principios de este año, en un relato de 2006 para la Sociedad Astronómica del Pacífico. Pero Townes siguió adelante y construyó un nuevo amplificador para la antena de seis metros en el Radio Observatorio Hat Creek en California, que reveló la presencia de amoníaco en la nube Sagitario B2. “¡Qué fácil, qué emocionante!”, escribió. “Los medios de comunicación, así como los científicos, comenzaron a revolotearnos”.

En 1968, los astrónomos descubrieron amoníaco en la nube Sagitario B2.
Crédito: ESO 

Desde entonces, los astrónomos encontraron más de 200 tipos de moléculas que flotan en el espacio. Muchos de ellos son bastante diferentes de las que se ven en el suelo. “Usualmente hacemos química basados en las condiciones que tenemos en la Tierra”, dice Ryan Fortenberry, astroquímico de la Universidad de Georgia del Sur. “Cuando nos alejamos de ese paradigma, los químicos que se pueden crear no tienen límites. Si puedes soñar con una molécula, sin importar cuan extraña sea, existe una probabilidad finita de que a través de los eones de tiempo y la inmensidad del espacio exista en alguna parte”.

El espacio es, literalmente, un ambiente extraterreste. Las temperaturas pueden ser mucho, mucho más caliente que en la Tierra (como en la atmósfera de una estrella) y mucho, mucho más frías (en el espacio interestelar relativamente vacío). Del mismo modo, las presiones (extremadamente altas o bajas) están lejos de las terrestres. En consecuencia, las moléculas que se pueden formar en el espacio podrían nunca emerger en nuestro planeta, y luego permanecer, incluso si son altamente reactivas. “Una molécula puede viajar años y años antes de que choque con otra molécula en el espacio interestelar”, dice Timothy Lee, astrofísico del Centro de Investigación Ames de la NASA. “Puede estar en una regió donde no hay radiación, por lo que aún si no es tan estable puede existir por mucho tiempo”.

Las moléculas espaciales, una vez identificadas, pueden enseñarnos mucho. Algunas de ellas podrían resultar beneficiosas si los científicos pueden crearlas en laboratorio y aprender a explotar sus propiedades. Otras moléculas pueden ayudar a explicar los orígenes de los compuestos orgánicos que generaron la vida en la Tierra. Y todas ellas sirven para ampliar los límites de lo que es posible para la química en el universo.

Telescopios innovadores

En las últimas décadas, a medida que surgieron poderosos telescopios capaces de observar líneas espectrales de estrellas tenues, la búsqueda de moléculas extraterrestres se ha acelerado. “De hecho, ahora hay un auge en la astroquímica”, dice Susanna Widicus Weaver, quien lidera un grupo astroquímicos de la Universidad Emory. Los datos disponibles ahora, dice la experta, son un gran avance en comparación con los de hace solo una década, cuando ella completó su doctorado. El Observatorio Estratosférico para Astronomía Infrarroja (SOFIA) de la NASA, montado al lado de un Boeing 747SP, comenzó a observar en luz infrarroja y microondas en 2010, y el Observatorio Espacial Herschel de la Agencia Espacial Europea fue puesto en órbita en 2009 para escudriñar las mismas longitudes de onda.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile.
Crédito: NRAO

Sin embargo, lo verdaderamente innovador es el proyecto multinacional ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), una constelación de 66 radiotelescopios inaugurada en 2013. A una altitud de 5.200 metros en el llano de Chajnantor, una extensión similar al paisaje marciano en el desierto de Atacama, en Chile —el lugar más seco en el planeta—, las antenas de ALMA giran alunísino mientras los observadores recolectan la luz de objetos cósmicos. Cielos extremadamente oscuros y despejados casi desprovistos de humedad que enturbie la imagen les da a los telescopios una sensibilidad y precisión sin precedentes en longitudes de onda del infrarrojo a la radiofrecuencia. ALMA crea tanto una retrato visual como un espectro con cada pixel de sus imágenes, generando decenas de miles de líneas espectrales en cada campo de visión que observa. “Es increíble y es abrumador al mismo tiempo”, dice Widicus Weaver. “Estos conjuntos de datos son tan grandes que a menudo tienen que enviarlos por correo a los científicos, pero en flash drives, porque no pueden descargarlos”. La avalancha de información está proporcionando una riqueza de nuevas líneas espectrales para los astrofísicos. La avalancha de datos está proporcionando una gran cantidad de nuevas líneas espectrales para que aprovechen los astroquímicos. Pero al igual que las huellas digitales no identificadas en una escena del crimen, estas líneas son inútiles para los expertos a menos que puedan determinar qué moléculas las crearon.

Encontrar un vínculo

Para igualar las moléculas con estas líneas, los científicos pueden ir en unas pocas direcciones. Como en el caso de C3H+, los astroquímicos podrían empezar con la teoría, usando claves del espectro para adivinar qué molécula podría estar detrás. Una técnica llamada ab initio de química cuántica (en latín, ab initio significa “desde el principio”) permite a los científicos empezar desde la mecánica cuántica pura —la teoría que describe el comportamiento de las partículas subatómicas— para calcular las propiedades de una molécula a partir de los movimientos de los protones, los neutrones y los electrones en los átomos que la componen.

En una supercomputadora, los científicos pueden hacer correr simulaciones repetidas de una molécula, ajustando ligeramente su estructura y la disposición de sus partículas cada vez, y observar los resultados para encontrar la geometría óptima de un compuesto. “Con la química cuántica no estamos limitados a lo que podemos sintetizar”, dijo Fortenberry. “Estamos limitados por el tamaño de las moléculas. Necesitamos grandes cantidades de poder computacional para hacer los cálculos”.

Los investigadores también pueden buscar evidencias concretas de nuevas moléculas creándolas en un laboratorio y midiendo directamente sus características espectrales. Una técnica común es empezar con una cámara de gas y hacer correr una corriente de electricidad a través de ella. Un electrón en la corriente puede colisionar con una molécula de gas y romper su enlace químico, generando algo nuevo. Los investigadores mantienen el gas a una presión muy baja de modo que cualquier químico que surja tenga la posibilidad de permanecer por unos momentos antes de chocar con otra molécula y reaccionar. Luego, los científicos harán brillar diversas longitudes de onda de luz a través de la cámara para medir el espectro de lo que sea que esté en el interior. “Llegarás a un punto en el que producirás en el laboratorios la misma molécula que está en el espacio, pero no necesariamente sabrás qué molécula es”, dice Michael McCarthy, físico del Centro Harvard–Smithsonian para la Astrofísica. “Entonces debes intentar inferir la composición elemental de una combinación de diferentes experimentos de laboratorio con distintas muestras”.

En 2006, McCarthy y sus colegas crearon la molécula de carga negativa C6H— y midieron su espectro. Poco después hallaron las mismas caracterísitcas espectrales en la nube molecular Tauro, ubicada a alrededor de 430 años luz de distancia. Anteriores búsquedas de moléculas negativas en el espacio resultaron vacías, de modo que muchos científicos dudaron si existían en un número significativo. “Eso nos condujo a todo un conjunto de descubrimientos en los que fuimos capaces de detectar moléculas relacionadas en el laboratorio y luego en el espacio”, señaló McCarthy. El equipo ahora encontró C6H– en más de una docena de fuentes cósmicas.

 

La nube molecular Tauro como se ve con el telescopio APEX (Atacama Pathfinder Experiment) en Chile.
Crédito: ESO/APEX (MPIfR/ESO/OSO)/A. Hacar et al./Digitized Sky Survey 2. Reconocimiento a: Davide De Martin

Y en la década de 1980, los científicos que trataban de hacer nuevos químicos produjeron la molécula argonium (36ArH+), un extraño compuesto que normalmente no se encuentra en la Tierra y que combina hidrógeno con el gas argón, generalmente inherte. En 2013, los astrónomos encontraron argonium en el espacio, primero en la nebulosa del Cangrejo y luego en una galaxia distante a través de observaciones desde ALMA. Los compuestos basados en gases nobles se forman solo bajo circunstancias muy específicas; los científicos piensan que en el espacio, las partículas cargadas de alta energía llamadas rayos cósmicos chocan con el argón y golpean los electrones sueltos, permitiendo que se enlacen con el hidrógeno. Por esa razón, si los científicos ven el argonium en una región del espacio, pueden suponer que ese lugar está inundado de rayos cósmicos. “Es un indicador muy específico de esas circunstancias que de hecho son muy importantes en el espacio”, dice Holger Müller, de la Universidad de Colonia (Alemania), y líder del equipo detrás del descubrimiento de ALMA.

Un nuevo mundo de moléculas

Muchas de las moléculas que están al acecho en las estrellas y en las nebulosas son extrañas en extremo. Preguntarse cómo se verían o se sentirían si pudieras sostenerlas en la mano no tiene sentido, porque nunca podría sostenerlas; reaccionarían inmediatamente. Si efectivamente pudieses hacer contacto con ellas, de seguro serían tóxicas y cancerígenas. Curiosamente, sin embargo, los científicos tienen una idea aproximada de cómo pueden oler algunas moléculas extraterrestres, pues muchas detectadas hasta ahora pertenecen a una clase de compuestos llamados aromáticos, que son derivados de benceno (C6H6) y fueron nombrados originalmente por sus fuertes olores.

Algunos compuestos nuevos revelan estructuras atómicas sorprendentes y comparten carga entre átomos en modos nunca vistos. A veces desafían las teorías actuales de enlaces moleculares. Un ejemplo reciente es la molécula SiCSi —hallada en 2015 en una estrella moribunda—, compuesta por dos átomos de silicio y uno de carbonon enlazados de una manera inesperada. La molécula resultante es flexible y produce un espectro diferente a lo que predicen los modelos teóricos simples.

Y las moléculas espaciales podrían responder una de las preguntas más fundamentales del universo: ¿Cómo comenzó la vida? Los científicos no saben si los aminoácidos, los bloques esenciales de la vida, aparecieron primero en la Tierra o en el espacio (y si llegaron a nuestro planeta en cometas o en meteoritos). “La gran pregunta es: ¿se formaron en nubes moleculares mientras nacía una estrella”, reflexiona Widicus Weaver, “o se formaron una vez que existía un planeta o algún otro trozo de roca en cuya superficie podía ocurrir la química?” La respuesta determinará si es probable que los aminoácidos sean abundantes en el universo y están disponibles para hacer posible la vida en la infinidad de exoplanetas que hay allá afuera, o si la química que nos creó fue específica de nuestra cuna planetaria. Los astroquímicos ya han detectado señales de aminoácidos en el espacio, así como secuencias de moléculas que podrían haberlos generado.

 

Los buckyballs, conglomerados de 60 átomos de carbono, fueron primero creados en laboratorios en la Tierra y luego descubiertos en el espacio.
Crédito: NASA/JPL-Caltech

Finalmente, quizás algunos especímenes raros podrían ser útiles si pueden ser creados en cantidades suficientemente grandes y mantenidos bajo condiciones controladas. “La gran esperanza de los astroquímicos es que podamos encontrar moléculas que tengan propiedades completamente nuevas y podamos aplicarlas para resovler problemas en la Tierra”, señala Fortenberry. Un ejemplo son las “buckyballs”, las moléculas con forma de pelota de fútbol. Estas aglomeraciones de 60 átomos de carbono primero aparecieron en el laboratorio en 1985 (y sus descubridores ganaron el Premio Nobel de Química). Casi una década después, los astrónomos vieron rasgos espectrales en gas interestelar que eran congruentes con las versiones de las buckyballs de carga positiva. La conexión fue confirmada en julio de 2015 cuando los investigadores compararon esos rasgos con el espectro de las buckyballs creadas en el laboratorio bajo condiciones iguales a las del espacio. “Ahora, esta molécula está en toda la galaxia y en todo el universo”, dice el descubridor de las buckyballs Harold Kroto, que actualmente trabaja como profesor de química de la Universidad del Estado de Florida (EE. UU.). Con el tiempo, las buckyballs no resultaron ser solo una rareza en el espacio, sino una herramienta práctica para la nanotecnología, útil para el fortalecer materiales, mejorar las celdas solares e incluso en productos farmacéuticos.

En este punto, los astroquímicos aún están probando en las aguas poco profundas del gran mar de moléculas del espacio exterior. Los hallazgos que ya hicieron son un recordatorio de que nuestra propia esquina del cosmos es solo eso: una insignificante —y no necesariamente representartiva— muestra de lo que es posible. Tal vez los especímenes con los que estamos familiarizados en la Tierra sean, en realidad, los exóticos, y las buckyballs, la molécula C3H+ de la nebulosa de Cabeza de Caballo y otros aún desconocidos son la sistancia común del universo.