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Descifrar la química del universo

Los astrónomos confían en el futuro telescopio 'Herschel' para ver la composición de las estrellas

En la Vía Láctea, nuestra galaxia, hay unos 200.000 millones de estrellas. Pero no sólo eso. Esas estrellas llevan miles de millones de años sintetizando elementos químicos en sus núcleos, elementos que se combinan y forman moléculas, que a su vez siguen reaccionando y con el tiempo forman planetas y -al menos en una ocasión, que se sepa- seres vivos. Así que en el espacio entre las estrellas hay nubes de gas y polvo que funcionan como verdaderos laboratorios de química. Aunque los astrónomos lo sabían desde hace cuatro décadas, sólo ahora empiezan a desentrañar la química del universo. Recientemente se ha celebrado en Toledo un congreso sobre los próximos pasos a dar con nuevos telescopios de infrarrojos.En la Vía Láctea, nuestra galaxia, hay unos 200.000 millones de estrellas. Pero no sólo eso. Esas estrellas llevan miles de millones de años sintetizando elementos químicos en sus núcleos, elementos que se combinan y forman moléculas, que a su vez siguen reaccionando y con el tiempo forman planetas y -al menos en una ocasión, que se sepa- seres vivos. Así que en el espacio entre las estrellas hay nubes de gas y polvo que funcionan como verdaderos laboratorios de química. Aunque los astrónomos lo sabían desde hace cuatro décadas, sólo ahora empiezan a desentrañar la química del universo. Recientemente se ha celebrado en Toledo un congreso sobre los próximos pasos a dar con nuevos telescopios de infrarrojos.

En Orión se sintetiza agua como para llenar los océanos de la Tierra 60 veces al día

En los últimos años han identificado en multitud de regiones en el espacio más de 120 moléculas -entre ellas agua y complejos compuestos de carbono-, y también se han topado con varias cuya naturaleza sigue siendo un misterio. Muchos de estos compuestos son la clave para reconstruir el pasado del sistema solar, por ejemplo.

El instrumento rey de la química espacial es el espectrógrafo. Las moléculas están en permanente movimiento, y cada una de ellas absorbe y reemite luz en un rango de energía muy específico. Los telescopios detectan esa luz y los espectrógrafos la descomponen en un espectro, que por tanto es único para cada molécula. Así se puede identificar las moléculas en el espacio comparando su firma química con la de otros compuestos conocidos en los laboratorios. Según el rango de energía en que emitan las moléculas hacen falta telescopios distintos. Algunos compuestos pueden detectarse con telescopios ópticos, pero la mayoría emiten en radio y en infrarrojo.

'Los telescopios espaciales infrarrojos han sido los últimos en llegar y por eso sólo ahora empezamos a tener una visión completa de lo que pasa', explica Ewine van Dishoeck, experta en química espacial de la Universidad de Leiden (Holanda). Ella y otros 200 astrónomos revisaron los logros en este área en un congreso celebrado el pasado mes de diciembre en Toledo para afinar los objetivos del futuro telescopio infrarrojo de la Agencia Europea del Espacio (ESA), el FIRST -rebautizado durante la reunión Herschel Space Observatory, en honor del astrónomo anglo-alemán que descubrió la luz infrarroja hace ahora dos siglos.

Dos átomos

'Las primeras moléculas en el espacio interestelar se detectaron a finales de los años treinta con telescopios ópticos', recuerda Van Dishoeck en el congreso. 'Eran moléculas muy sencillas, de dos átomos'. Pero el campo se estancó hasta la llegada de los radiotelescopios, que detectaron amoniaco a finales de los sesenta. 'Entonces nos dimos cuenta de que el espacio entre las estrellas no es tan hostil. Las nubes interestelares son muy frías y difusas, por eso se creía que no podían tener una química muy activa. Pero esto no era así', puntualiza Van Dishoeck.

Los telescopios instalados en tierra que detectan luz en longitud de onda submilimétrica identificaron después muchas más moléculas en fase gaseosa, y con los más recientes telescopios espaciales de infrarrojos la lista se ha completado con decenas de compuestos en fase sólida. 'Sabíamos que estos compuestos emiten en infrarrojo, pero no esperábamos tanta variedad. Lo que hemos encontrado es sorprendente', prosigue Van Dishoeck.

Una de las principales sorpresas, celebrada por los expertos reunidos en Toledo, fue el descubrimiento hace dos años de silicatos en forma cristalina, como la olivina, con el telescopio espacial europeo de infrarrojo ISO. Se esperaba que hubiera silicatos, pero no que estuvieran formando cristales. Que sea así supone que los silicatos -una amplia y variada familia de compuestos- puedan identificarse, y por tanto que sea posible seguirles la pista durante su viaje interestelar. Por ejemplo: se sabe que se sintetizan en las envolturas de las estrellas viejas, unas de las factorías químicas más activas del universo -las estrellas viejas en la fase de gigante roja expulsan gran parte de su masa, y se forma una envoltura donde tienen lugar muchas reacciones químicas-; y también han sido detectados en cometas, como es el caso del Hale Bopp.

Como además los silicatos cristalinos son un componente básico del propio planeta Tierra -la simple arena de playa-, los astrónomos ven ahora más claro de dónde procede la materia prima con que se construyó el sistema solar hace unos 4.500 millones de años.

Sin embargo, falta todavía un eslabón importante en el viaje de los silicatos: no se han detectado aún en el medio interestelar, una etapa obligada cuando se va de las estrellas a los planetas.

Otro hallazgo celebrado ha sido el del agua. El infrarrojo ha dado importantes detalles sobre cómo se produce y en qué cantidad. En las regiones donde nacen estrellas, el ISO detectó una gran abundancia de agua. En la nebulosa de Orión, por ejemplo, los astrónomos estiman que se sintetiza agua suficiente como para llenar los océanos de la Tierra sesenta veces al día.

El agua se sintetiza así: el hidrógeno es el elemento más abundante del universo, originado en el propio Big Bang; el oxígeno se fabrica en las estrellas, que lo expulsan al espacio al envejecer; para que ambos elementos se mezclen hacen falta temperturas muy altas, condición que se da cuando nace una nueva estrella.

Como explica Alberto Salama, astrónomo del centro de datos del ISO (en la estación de la ESA en Villafranca del Castillo, Madrid): 'La formación estelar empieza cuando el gas y el polvo en la nube se condensan por la gravedad. La inmensa presión en el centro de este material genera potentes vientos de más de 60.000 kilómetros por hora, que calientan las capas externas y hacen que se forme el agua'.

Muchas de esas moléculas de agua se esparcirán por el espacio interestelar en minúsculas partículas heladas, y serán la materia prima para la formación del hielo de los cometas e incluso de los océanos en los planetas. Pero queda aún mucho por saber sobre esta molécula. José Cernicharo, el astrónomo que fue el primero en demostrar su existencia en todas las nubes moleculares del espacio y que ahora es uno de los investigadores principales del futuro telescopio Herschel, señala que 'con ISO hemos visto sólo la punta del iceberg, lo más brillante'.

Se desconocen aún muchos detalles sobre el papel del agua en el proceso de formación de las estrellas, por ejemplo. Y sigue siendo una tarea pendiente el determinar con exactitud si el agua de la Tierra procede sólo de impactos de cometas, o si también son partículas heladas que ya estaban en la nube de material que dio origen al sistema solar.

Los futuros telescopios prometen ahondar mucho más en el descifrado de la química del universo. En julio del 2002, la NASA lanzará Sirtf, un telescopio infrarrojo con un espejo de 85 centímetros de diámetro equipado con dos espectrógrafos. En el 2007 se lanzará el europeo Herschel, que con su espejo de 3,5 metros será el mayor telescopio espacial hasta que se lance el NGST (Next Generation Space Telescope), el heredero del Hubble, en el 2009, con un espejo de más de seis metros. Herschel y NGST no se solaparán porque detectarán luz de distintas longitudes de onda: el primero verá el infrarrojo lejano y el segundo el cercano.

Poco después entrará en funcionamiento ALMA (Atacama Large Millimeter Array), un proyecto internacional -con participación española- basado en tierra. ALMA, compuesto por 64 antenas de 12 metros de diámetro que se instalarán a 5.000 metros de altura en el desierto de Atacama (Chile), registrará radiación de ondas milimétricas, de menos energía que la luz infrarroja pero también muy útil para detectar la emisión de moléculas.En los últimos años han identificado en multitud de regiones en el espacio más de 120 moléculas -entre ellas agua y complejos compuestos de carbono-, y también se han topado con varias cuya naturaleza sigue siendo un misterio. Muchos de estos compuestos son la clave para reconstruir el pasado del sistema solar, por ejemplo.

El instrumento rey de la química espacial es el espectrógrafo. Las moléculas están en permanente movimiento, y cada una de ellas absorbe y reemite luz en un rango de energía muy específico. Los telescopios detectan esa luz y los espectrógrafos la descomponen en un espectro, que por tanto es único para cada molécula. Así se puede identificar las moléculas en el espacio comparando su firma química con la de otros compuestos conocidos en los laboratorios. Según el rango de energía en que emitan las moléculas hacen falta telescopios distintos. Algunos compuestos pueden detectarse con telescopios ópticos, pero la mayoría emiten en radio y en infrarrojo.

'Los telescopios espaciales infrarrojos han sido los últimos en llegar y por eso sólo ahora empezamos a tener una visión completa de lo que pasa', explica Ewine van Dishoeck, experta en química espacial de la Universidad de Leiden (Holanda). Ella y otros 200 astrónomos revisaron los logros en este área en un congreso celebrado el pasado mes de diciembre en Toledo para afinar los objetivos del futuro telescopio infrarrojo de la Agencia Europea del Espacio (ESA), el FIRST -rebautizado durante la reunión Herschel Space Observatory, en honor del astrónomo anglo-alemán que descubrió la luz infrarroja hace ahora dos siglos.

Dos átomos

'Las primeras moléculas en el espacio interestelar se detectaron a finales de los años treinta con telescopios ópticos', recuerda Van Dishoeck en el congreso. 'Eran moléculas muy sencillas, de dos átomos'. Pero el campo se estancó hasta la llegada de los radiotelescopios, que detectaron amoniaco a finales de los sesenta. 'Entonces nos dimos cuenta de que el espacio entre las estrellas no es tan hostil. Las nubes interestelares son muy frías y difusas, por eso se creía que no podían tener una química muy activa. Pero esto no era así', puntualiza Van Dishoeck.

Los telescopios instalados en tierra que detectan luz en longitud de onda submilimétrica identificaron después muchas más moléculas en fase gaseosa, y con los más recientes telescopios espaciales de infrarrojos la lista se ha completado con decenas de compuestos en fase sólida. 'Sabíamos que estos compuestos emiten en infrarrojo, pero no esperábamos tanta variedad. Lo que hemos encontrado es sorprendente', prosigue Van Dishoeck.

Una de las principales sorpresas, celebrada por los expertos reunidos en Toledo, fue el descubrimiento hace dos años de silicatos en forma cristalina, como la olivina, con el telescopio espacial europeo de infrarrojo ISO. Se esperaba que hubiera silicatos, pero no que estuvieran formando cristales. Que sea así supone que los silicatos -una amplia y variada familia de compuestos- puedan identificarse, y por tanto que sea posible seguirles la pista durante su viaje interestelar. Por ejemplo: se sabe que se sintetizan en las envolturas de las estrellas viejas, unas de las factorías químicas más activas del universo -las estrellas viejas en la fase de gigante roja expulsan gran parte de su masa, y se forma una envoltura donde tienen lugar muchas reacciones químicas-; y también han sido detectados en cometas, como es el caso del Hale Bopp.

Como además los silicatos cristalinos son un componente básico del propio planeta Tierra -la simple arena de playa-, los astrónomos ven ahora más claro de dónde procede la materia prima con que se construyó el sistema solar hace unos 4.500 millones de años.

Sin embargo, falta todavía un eslabón importante en el viaje de los silicatos: no se han detectado aún en el medio interestelar, una etapa obligada cuando se va de las estrellas a los planetas.

Otro hallazgo celebrado ha sido el del agua. El infrarrojo ha dado importantes detalles sobre cómo se produce y en qué cantidad. En las regiones donde nacen estrellas, el ISO detectó una gran abundancia de agua. En la nebulosa de Orión, por ejemplo, los astrónomos estiman que se sintetiza agua suficiente como para llenar los océanos de la Tierra sesenta veces al día.

El agua se sintetiza así: el hidrógeno es el elemento más abundante del universo, originado en el propio Big Bang; el oxígeno se fabrica en las estrellas, que lo expulsan al espacio al envejecer; para que ambos elementos se mezclen hacen falta temperturas muy altas, condición que se da cuando nace una nueva estrella.

Como explica Alberto Salama, astrónomo del centro de datos del ISO (en la estación de la ESA en Villafranca del Castillo, Madrid): 'La formación estelar empieza cuando el gas y el polvo en la nube se condensan por la gravedad. La inmensa presión en el centro de este material genera potentes vientos de más de 60.000 kilómetros por hora, que calientan las capas externas y hacen que se forme el agua'.

Muchas de esas moléculas de agua se esparcirán por el espacio interestelar en minúsculas partículas heladas, y serán la materia prima para la formación del hielo de los cometas e incluso de los océanos en los planetas. Pero queda aún mucho por saber sobre esta molécula. José Cernicharo, el astrónomo que fue el primero en demostrar su existencia en todas las nubes moleculares del espacio y que ahora es uno de los investigadores principales del futuro telescopio Herschel, señala que 'con ISO hemos visto sólo la punta del iceberg, lo más brillante'.

Se desconocen aún muchos detalles sobre el papel del agua en el proceso de formación de las estrellas, por ejemplo. Y sigue siendo una tarea pendiente el determinar con exactitud si el agua de la Tierra procede sólo de impactos de cometas, o si también son partículas heladas que ya estaban en la nube de material que dio origen al sistema solar.

Los futuros telescopios prometen ahondar mucho más en el descifrado de la química del universo. En julio del 2002, la NASA lanzará Sirtf, un telescopio infrarrojo con un espejo de 85 centímetros de diámetro equipado con dos espectrógrafos. En el 2007 se lanzará el europeo Herschel, que con su espejo de 3,5 metros será el mayor telescopio espacial hasta que se lance el NGST (Next Generation Space Telescope), el heredero del Hubble, en el 2009, con un espejo de más de seis metros. Herschel y NGST no se solaparán porque detectarán luz de distintas longitudes de onda: el primero verá el infrarrojo lejano y el segundo el cercano.

Poco después entrará en funcionamiento ALMA (Atacama Large Millimeter Array), un proyecto internacional -con participación española- basado en tierra. ALMA, compuesto por 64 antenas de 12 metros de diámetro que se instalarán a 5.000 metros de altura en el desierto de Atacama (Chile), registrará radiación de ondas milimétricas, de menos energía que la luz infrarroja pero también muy útil para detectar la emisión de moléculas.

Compuestos aromáticos en el cielo

Uno de los principales misterios sin resolver para los químicos espaciales es el de las polémicas bandas infrarrojas no identificadas, o UIB (siglas en inglés). Con el telescopio espacial IRAS, lanzado en 1983, se detectó la señal muy intensa de un tipo de moléculas de carbono, pero no se las pudo identificar. Después, con el telescopio ISO, los astrónomos han visto que son muy abundantes en el espacio interestelar y en muchos otros objetos, desde el centro de galaxias hasta los alrededores de estrellas muertas (las llamadas nebulosas planetarias). Pero aún no se ha determinado su estructura con suficiente precisión. La idea más aceptada es que son complejas moléculas en forma de anillo, compuestos llamados aromáticos -porque huelen-, por eso se las llama también PAHs (hidrocarburos aromáticos policíclicos). Pero puede que al menos una parte de las UIB no sean anillos, sino largas cadenas de más de 200 átomos de carbono. El debate tiene un punto picante porque la química de la vida se basa en moléculas de carbono que forman anillos, no cadenas. 'La mayor parte de la vida está basada en anillos', dice Van Dishoeck. 'La mayoría de los astrónomos acepta que debe haber algun tipo de molécula aromática. Creo que la discusión se centra sobre todo en hasta qué punto las largas cadenas de carbono también podrían contribuir a la señal que detectamos. Puede que logremos aclararlo con el Herschel'. Pero los astrónomos empiezan a comprender al menos el mecanismo de formación de las UIB. Creen haber identificado dos moléculas que podrían ser sus precursoras, el diacetileno, con cuatro átomos de carbono, y el triacetileno, con seis. Las UIB son las más abundantes, pero no las únicas señales de moléculas que faltan por identificar. En longitud de onda submilimétrica, la lista de firmas espectrográficas sin dueño tiene más de mil miembros.

* Este artículo apareció en la edición impresa del Miércoles, 3 de enero de 2001

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