A Nuvem Molecular de Taurus, que contém o núcleo frio sem estrelas TMC-1, é uma faixa escura no céu perto do aglomerado das Plêiades visto de Charlottesville, VA. Crédito: Brett A. McGuire, Copyright 2018

Acredita-se que muito do carbono no espaço exista na forma de grandes moléculas chamadas de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs). Desde a década de 1980, evidências circunstanciais indicaram que essas moléculas são abundantes no espaço, mas não foram observadas diretamente.

Agora, uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor assistente do MIT Brett McGuire identificou dois PAHs distintos em um pedaço de espaço chamado Taurus Molecular Cloud (TMC-1). Acreditava-se que os PAHs se formavam com eficiência apenas em altas temperaturas, na Terra, eles ocorrem como subprodutos da queima de combustíveis fósseis e também são encontrados em marcas de carvão em alimentos grelhados. Mas a nuvem interestelar onde a equipe de pesquisa as observou ainda não começou a formar estrelas, e a temperatura está cerca de 10 graus acima do zero absoluto.

Essa descoberta sugere que essas moléculas podem se formar em temperaturas muito mais baixas do que o esperado e pode levar os cientistas a repensar suas suposições sobre o papel da química do PAH na formação de estrelas e planetas, dizem os pesquisadores.

"O que torna a detecção tão importante é que não apenas confirmamos uma hipótese que está sendo formulada há 30 anos, mas agora podemos olhar para todas as outras moléculas nesta única fonte e perguntar como elas estão reagindo para formar os PAHs, como os PAHs que estamos vendo podem reagir com outras coisas para possivelmente formar moléculas maiores e quais implicações isso pode ter para a nossa compreensão do papel das moléculas de carbono muito grandes na formação de planetas e estrelas", diz McGuire, quem é o autor sênior do novo estudo.

Michael McCarthy, diretor associado do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, é outro autor sênior do estudo, que aparece hoje na Science. A equipe de pesquisa também inclui cientistas de várias outras instituições, incluindo a University of Virginia, o National Radio Astronomy Observatory e o Goddard Space Flight Center da NASA.

Sinais distintos

A partir da década de 1980, os astrônomos usaram telescópios para detectar sinais infravermelhos que sugeriam a presença de moléculas aromáticas, que são moléculas que normalmente incluem um ou mais anéis de carbono. Acredita-se que cerca de 10 a 25 por cento do carbono no espaço seja encontrado nos PAHs, que contêm pelo menos dois anéis de carbono, mas os sinais infravermelhos não eram distintos o suficiente para identificar moléculas específicas.

"Isso significa que não podemos nos aprofundar nos mecanismos químicos detalhados de como eles são formados, como reagem entre si ou com outras moléculas, como são destruídas e todo o ciclo do carbono ao longo do processo de formação de estrelas e planetas e, eventualmente, a vida", diz McGuire.

Embora a radioastronomia tenha sido o carro-chefe da descoberta molecular no espaço desde 1960, os radiotelescópios poderosos o suficiente para detectar essas grandes moléculas existem há pouco mais de uma década. Esses telescópios podem captar os espectros rotacionais das moléculas, que são padrões distintos de luz que as moléculas emitem quando caem pelo espaço. Os pesquisadores podem então tentar combinar padrões observados no espaço com padrões que eles viram dessas mesmas moléculas em laboratórios na Terra.

O telescópio Green Bank de 100 m localizado em Green Bank, WV. Crédito: Brett A. McGuire, Copyright 2018

"Depois de ter essa correspondência de padrão, você sabe que não há nenhuma outra molécula existente que poderia estar emitindo esse espectro exato. E a intensidade das linhas e a força relativa das diferentes partes do padrão diz a você algo sobre o quanto da molécula que existe, e quão quente ou fria a molécula é ", diz McGuire.

McGuire e seus colegas têm estudado o TMC-1 há vários anos porque observações anteriores revelaram que ele é rico em moléculas de carbono complexas. Há alguns anos, um membro da equipe de pesquisa observou indícios de que a nuvem contém benzonitrila, um anel de seis carbonos ligado a um grupo nitrila (carbono-nitrogênio).

Os pesquisadores então usaram o Green Bank Telescope, o maior radiotelescópio dirigível do mundo, para confirmar a presença de benzonitrila. Em seus dados, eles também encontraram assinaturas de duas outras moléculas, os PAHs relatados neste estudo. Essas moléculas, chamadas de 1-cianonaftaleno e 2-cianonaftaleno, consistem em dois anéis de benzeno fundidos, com um grupo nitrila ligado a um anel.

"Detectar essas moléculas é um grande salto à frente na astroquímica. Estamos começando a conectar os pontos entre pequenas moléculas, como o benzonitrila, que existem no espaço, aos PAHs monolíticos que são tão importantes na astrofísica", disse Kelvin Lee, um pós-doutorado do MIT que é um dos autores do estudo.

Encontrar essas moléculas no TMC-1 frio e sem estrelas sugere que os PAHs não são apenas subprodutos de estrelas moribundas, mas podem ser montados a partir de moléculas menores.

“No lugar onde os encontramos, não há estrela, então ou eles estão sendo construídos no lugar ou são os restos de uma estrela morta”, diz McGuire. "Achamos que é provavelmente uma combinação dos dois, a evidência sugere que não é nem um caminho nem o outro exclusivamente. Isso é novo e interessante porque realmente não havia nenhuma evidência observacional para este caminho de baixo para cima antes."

Em uma série de nove artigos, os cientistas do projeto GOTHAM - Green Bank Telescope Observations of TMC-1: Hunting Aromatic Molecules - descreveram a detecção de mais de uma dúzia de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos na Nuvem Molecular de Taurus, ou TMC-1. Essas moléculas complexas, nunca antes detectadas no meio interestelar, estão permitindo que os cientistas entendam melhor a formação de estrelas, planetas e outros corpos no espaço. Na concepção deste artista, algumas das moléculas detectadas incluem, da esquerda para a direita: 1-cianonaftaleno, 1-ciano-ciclopentadieno, HC11N, 2-cianonaftaleno, vinil cianoacetileno, 2-ciano-ciclopentadieno, benzonitrila, trans- (E) -cianovinilacetileno , HC4NC e propargylcianide, entre outros. Crédito: M. Weiss/Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian

Química do carbono

O carbono desempenha um papel crítico na formação dos planetas, então a sugestão de que os PAHs podem estar presentes mesmo em regiões frias e sem estrelas do espaço pode levar os cientistas a repensar suas teorias sobre quais produtos químicos estão disponíveis durante a formação do planeta, diz McGuire. Como os PAHs reagem com outras moléculas, eles podem começar a formar grãos de poeira interestelar, que são as sementes de asteroides e planetas.

"Precisamos repensar inteiramente nossos modelos de como a química está evoluindo, começando a partir desses núcleos sem estrelas, para incluir o fato de que eles estão formando essas grandes moléculas aromáticas", diz ele.

McGuire e seus colegas planejam agora investigar mais a fundo como esses PAHs se formaram e que tipos de reações podem sofrer no espaço. Eles também planejam continuar digitalizando TMC-1 com o poderoso Telescópio Green Bank. Depois de obter essas observações da nuvem interestelar, os pesquisadores podem tentar comparar as assinaturas que encontram com os dados que geram na Terra, colocando duas moléculas em um reator e explodindo-as com quilovolts de eletricidade, quebrando-as em pedaços e deixando-as Recombinar. Isso pode resultar em centenas de moléculas diferentes, muitas das quais nunca foram vistas na Terra.

"Precisamos continuar a ver quais moléculas estão presentes nesta fonte interestelar, porque quanto mais sabemos sobre o inventário, mais podemos começar a tentar conectar as peças dessa teia de reação", diz McGuire.

Mais informações: B.A. McGuire el al., "Detection of two interstellar polycyclic aromatic hydrocarbons via spectral matched filtering," Science (2021). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.abb7535

Ci Xue et al. Detection of Interstellar HC4NC and an Investigation of Isocyanopolyyne Chemistry under TMC-1 Conditions, The Astrophysical Journal (2020). iopscience.iop.org/article/10. … 847/2041-8213/aba631

Brett A. McGuire et al. Early Science from GOTHAM: Project Overview, Methods, and the Detection of Interstellar Propargyl Cyanide (HCCCH2CN) in TMC-1, The Astrophysical Journal (2020). iopscience.iop.org/article/10. … 847/2041-8213/aba632

Andrew M. Burkhardt et al. Ubiquitous aromatic carbon chemistry at the earliest stages of star formation, Nature Astronomy (2021). DOI: 10.1038/s41550-020-01253-4

Michael C. McCarthy et al. Interstellar detection of the highly polar five-membered ring cyanocyclopentadiene, Nature Astronomy (2020). DOI: 10.1038/s41550-020-01213-y

Fonte: Phys