Compostos com gases nobres não se formam naturalmente na Terra. Mas no meio interestelar, eles estão ajudando os cientistas a investigar a história do universo.

Nos gases da Nebulosa do Caranguejo, os astrônomos descobriram argônio no que foi a primeira detecção de uma molécula de gás nobre de ocorrência natural. Localizada na constelação de Touro, a Nebulosa do Caranguejo (mostrada em uma imagem composta de dois telescópios) é o entulho que sobrou de uma explosão estelar massiva que iluminou os céus acima da Terra em 1054. Crédito: ESA / Herschel / PACS / MESS Key Program Supernova Remnant Team; NASA, ESA e Allison Loll / Jeff Hester (Arizona State University)

Moléculas contendo gases nobres não deveriam existir. Por definição, esses elementos químicos - hélio, néon, argônio, criptônio, xenônio e radônio são os estraga-prazeres da tabela periódica, amontoando-se na coluna mais à direita e se recusando a fazer moléculas. Na verdade, ninguém jamais viu moléculas de gás nobre que ocorrem naturalmente na Terra. No início desta década, porém, os astrônomos descobriram acidentalmente um desses elementos indiferentes nas moléculas do espaço.

Então, em 2019, os observadores relataram ter encontrado um segundo tipo de molécula de gás nobre, que eles procuravam por mais de três décadas e de um tipo que foi o primeiro a se formar após o nascimento do universo no big bang. Essa molécula recém-descoberta fornece uma visão sobre a química do universo primitivo, antes que qualquer estrela começasse a brilhar ou qualquer galáxia se formasse. A descoberta pode até ajudar os astrônomos a entender como as primeiras estrelas surgiram.

A maioria dos elementos químicos compartilha prontamente elétrons com outros elementos para formar moléculas, mas gases nobres normalmente não o fazem. “Os gases nobres são, de certa forma, felizes do jeito que são”, diz Peter Schilke, astrofísico da University of Cologne, na Alemanha. Isso porque a camada externa de um átomo de gás nobre já tem seu preenchimento de elétrons, então normalmente não vai trocar elétrons para se ligar a outros átomos e formar moléculas, pelo menos, não aqui na Terra.

Em retrospecto, o espaço parece o lugar perfeito para buscar moléculas de gases nobres, porque esses gases abundam no cosmos. O hélio é o segundo elemento mais comum no universo, depois do hidrogênio, e o néon ocupa o quinto ou sexto lugar. E no espaço interestelar, onde temperaturas e densidades extremas são a regra, gases nobres fazem coisas que nunca fariam na Terra. Isso inclui a formação de moléculas.

Além de fornecer informações sobre a infância do universo, essas moléculas exóticas contam aos cientistas sobre as condições atuais no espaço entre as estrelas, os gases que compõem o meio interestelar que é de intenso interesse para os astrônomos. “O meio interestelar é o lugar onde as estrelas e os sistemas planetários nascem”, diz Maryvonne Gerin, astrofísica do Observatório de Paris e coautora de um artigo da Revisão Anual de Astronomia e Astrofísica de 2016 sobre moléculas interestelares.

Por décadas, os astrônomos buscaram uma molécula de gás nobre em particular: hidreto de hélio, ou HeH +, feito dos dois elementos mais comuns no universo e, portanto, uma boa aposta para existir no espaço. Embora o hidreto de hélio de ocorrência natural nunca tenha sido encontrado na Terra, os cientistas foram capazes de forçar os dois átomos juntos no laboratório quase um século atrás.

Portanto, parecia que essa combinação seria a pedreira mais provável para os astrônomos também. Em vez disso, eles foram pegos de surpresa por uma molécula ainda mais estranha.

Um embaraço interestelar

O argônio é mais de 20 vezes mais comum na atmosfera da Terra que o dióxido de carbono, mas recebe muito menos pressão. Na verdade, é o terceiro gás mais abundante no ar que você respira. O nitrogênio e o oxigênio constituem 78% e 21% da atmosfera da Terra, respectivamente, enquanto o argônio responde pela maior parte do 1% restante.

Mas ninguém estava procurando por uma molécula interestelar contendo argônio. “Foi basicamente uma descoberta fortuita”, diz o astrofísico da University College London Mike Barlow, que liderou a equipe que acidentalmente encontrou o ArH +: argônio, que consiste em argônio e hidrogênio.

Os gases nobres (coluna mais à direita, vermelho) são conhecidos por serem quimicamente não reativos e não se ligam naturalmente a outros átomos para formar moléculas na Terra. Mas é uma história diferente no espaço. Na última década, os astrônomos descobriram dois exemplos de compostos químicos feitos dos gases nobres hélio e argônio no espaço.

Outro elemento de gás nobre ajudou a tornar a descoberta possível. Em 2009, o Observatório Espacial Herschel decolou para o espaço e literalmente manteve a calma durante a missão, carregando um tanque de hélio líquido gelado que durou quatro anos. Isso permitiu ao Herschel observar comprimentos de onda do infravermelho distante de objetos distantes sem a interferência que seu próprio calor teria produzido. Como muitas moléculas absorvem e emitem luz infravermelha distante, essa faixa espectral é um bom lugar para buscar novas moléculas espaciais.

Um ano após o lançamento do Herschel, os astrônomos começaram a notar que algo no espaço interestelar estava absorvendo luz infravermelha distante em um comprimento de onda de 485 mícrons, uma linha espectral que não havia sido observada antes. “Ninguém conseguia descobrir o que era”, diz David Neufeld, astrofísico da Universidade Johns Hopkins e co-autor do artigo da Revisão Anual de 2016 (e conhecido do autor desta história na pós-graduação).

Schilke consultou colegas de seu grupo em Cologne e em outros lugares. “Sentamos no escritório diante do quadro branco”, diz ele, “e colocamos todas as moléculas possíveis lá, incluindo argônio”. Nenhuma molécula conhecida correspondeu ao comprimento de onda observado de 485 mícrons.

Enquanto isso, a equipe de Barlow estava usando dados do Herschel para estudar a Nebulosa do Caranguejo, os restos de uma estrela massiva que nossos ancestrais viram explodir no ano de 1054. Os fogos de artifício celestiais forjaram o argônio e outros "metais", que os astrônomos definem como todos os elementos mais pesados que o hélio.

Outra visão da Nebulosa do Caranguejo, os restos de uma explosão de supernova testemunhada por observadores do céu no Japão e na China mil anos atrás. Os filamentos laranja revelam o hidrogênio que uma vez constituiu a estrela; o brilho azul é produzido pela estrela de nêutrons no centro da nebulosa. O estudo da luz do objeto revelou a presença de argônio.Crédito: NASA / ESA / J. HESTER (ARIZONA STATE UNIVERSITY)

No gás rico em argônio da nebulosa, Barlow e seus colegas localizaram duas linhas espectrais não identificadas. Um era a mesma linha misteriosa que todos os outros viam com 485 mícrons; o outro tinha exatamente metade do comprimento de onda, a marca registrada de uma molécula contendo dois átomos. Barlow o identificou como argônio, publicando a descoberta em 2013. Foi a primeira molécula de gás nobre já encontrada na natureza. (Barlow observa que, no último minuto, os editores de seu artigo científico mudaram "molécula" no título para "íon molecular".)

A descoberta foi um choque. “Ficamos chocados quando ouvimos isso”, diz Neufeld. Afinal, os astrônomos estavam vendo a mesma linha espectral de 485 mícrons em outros lugares. “Quando ouvi pela primeira vez sobre a detecção”, diz Schilke, “fiquei extremamente envergonhado por não termos detectado isso nós mesmos.”

Os cientistas foram vítimas de uma confusão realista. Eles pensaram que sabiam os comprimentos de onda produzidos pelo argônio, porque os cientistas o criaram no laboratório décadas antes e mediram seu espectro. Mas essas moléculas de laboratório continham argônio-40, que é de longe o isótopo de argônio mais comum na Terra. Mas isso é apenas porque o argônio que respiramos vem da decomposição radioativa do potássio-40 nas rochas.

O universo é diferente. “No meio interestelar”, diz Schilke, “o argônio-36 é de longe o mais abundante, e éramos estúpidos demais para perceber isso”. O argônio feito com argônio-36 absorve e emite luz em comprimentos de onda ligeiramente diferentes do que faz com argônio-40, explicando por que os cientistas perderam a identificação.

No entanto, uma vez que reconheceram a existência do argônio interestelar, Schilke, Neufeld, Gerin e seus colegas procuraram explicar sua formação. “Esta é uma molécula que não gosta de moléculas”, diz Schilke, assim como o argônio é um átomo que não gosta de átomos. Essa característica peculiar está se revelando útil.

Na Terra, pois não está nos céus O argônio no ar da Terra é quase todo composto do isótopo argônio-40, mas no espaço (medido pelo vento solar) um isótopo diferente, o argônio-36, domina. Uma confusão entre os dois isótopos atrasou a descoberta do argônio interestelar.

Origens cósmicas de Argônio

Com base em cálculos padrão de como as reações químicas ocorrem no espaço, os cientistas sabem que a formação da molécula interestelar de argônio requer duas etapas. Primeiro, um raio cósmico, uma partícula carregada de alta velocidade - retira um elétron de um átomo de argônio interestelar, formando Ar +. Então esse íon de argônio pode roubar um átomo de hidrogênio de uma molécula de hidrogênio (H 2) para criar argônio, ArH +, porque o átomo de hidrogênio é mais atraído pelo íon de argônio do que por seu companheiro de hidrogênio.

Mas o argônio é frágil e as mesmas moléculas de hidrogênio necessárias para sua formação também podem destruí-lo. A molécula de gás nobre pode, portanto, existir apenas onde há hidrogênio molecular suficiente para criar argônio, mas não tanto a ponto de separá-lo. Esse requisito rigoroso acaba sendo útil para identificar quais nuvens interestelares não têm probabilidade de gerar novas estrelas e planetas.

O gás interestelar em nossa parte da Via Láctea vem em dois tipos principais: atômico e molecular. O primeiro tipo e mais comum consiste principalmente de átomos individuais de hidrogênio e hélio. Como o gás atômico é difuso, raramente cria novas estrelas. Em vez disso, a maioria das estrelas surge em um gás mais denso, onde os átomos se aglomeram para criar moléculas.

Pode ser difícil distinguir as nuvens interestelares que consistem principalmente de gás atômico daquelas que consistem principalmente de gás molecular, e é aí que entra o argônio. “É um traçador de gás quase puramente atômico”, diz Schilke. Na verdade, embora o argônio seja uma molécula, ele existe apenas em gases que são 99,9 a 99,99 por cento atômicos.

Como os raios cósmicos levam à criação de argônio, sua abundância no espaço interestelar também ajudou a definir o número de raios cósmicos que disparam pela galáxia. “Existem mais raios cósmicos do que pensávamos antes”, diz Gerin. Isso é importante não apenas para o futuro capitão Kirks que deseja minimizar sua exposição à radiação destrutiva enquanto viajam entre os sistemas estelares, mas também para os cientistas que estudam a química do meio interestelar, porque os raios cósmicos são o primeiro passo na criação de outras moléculas também.

A primeira molécula do universo

Mesmo após a descoberta do argônio interestelar, os astrônomos continuaram sua busca pela molécula de gás nobre mais simples, o hidreto de hélio, aquela que os teóricos previram décadas atrás. “Esta é a primeira ligação química que se formou no universo”, diz o astrofísico Stephen Lepp, da Universidade de Nevada, em Las Vegas.

A molécula surgiu porque o hidrogênio e o hélio foram os dois principais elementos a emergir do big bang. No início, o universo estava tão quente que quaisquer elétrons de qualquer um dos elementos que conseguisse capturar seriam imediatamente removidos pela radiação de alta energia gerada pelo calor extremo. Mas, à medida que o espaço se expandiu, ele esfriou e, cerca de 100.000 anos após o big bang, cada núcleo de hélio pegou dois elétrons e se tornou neutro. Coloque H+ e He juntos e você terá a primeira molécula do universo, HeH+.

Hidreto de hélio e argônio são as duas moléculas de gás nobre que os astrônomos encontraram no espaço.

Até hoje, ninguém jamais detectou qualquer hidreto de hélio no universo primitivo; isso exigiria a façanha sem precedentes de olhar através de mais de 13 bilhões de anos-luz do espaço até o amanhecer do tempo e discernir a linha espectral tênue que a molécula produz. Em abril de 2019, no entanto, astrônomos liderados por Rolf Güsten, do Instituto Max Planck de Radioastronomia, na Alemanha, relataram ter encontrado a tão procurada molécula bem aqui na Via Láctea.

A equipe de Güsten fez a descoberta não com uma espaçonave, mas com um avião especializado que voa acima de quase todo o vapor d'água da atmosfera, que bloqueia a radiação infravermelha. O Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy buscou a cobiçada molécula usando um telescópio com um novo espectrômetro de alta resolução sensível. Este instrumento detectou com sucesso a assinatura infravermelha distante de HeH + em um comprimento de onda de 149 micrômetros.

Güsten e seus colegas tiveram sucesso ao pesquisar a mesma nebulosa onde seus predecessores haviam falhado: NGC 7027 na constelação de Cygnus. Aqui, cerca de 600 anos atrás, uma estrela envelhecida conhecida como gigante vermelha perdeu sua atmosfera, algo que nosso próprio sol fará em cerca de 7,8 bilhões de anos. Isso expôs o núcleo quente da estrela moribunda, que brilha a 190.000 kelvins (340.000 graus Fahrenheit) e emite luz ultravioleta extrema que rasga os elétrons dos átomos de hélio, criando He +. Combine isso com átomos de hidrogênio neutros de outras partes da nebulosa e você terá HeH +. No início do universo era o contrário, hidrogênio carregado e hélio neutro, mas o resultado final foi o mesmo: HeH +, a primeira molécula a se formar após o big bang.

Por décadas, os astrônomos buscaram a molécula de gás nobre mais leve, o hidreto de hélio, na nebulosa planetária NGC 7027, mostrada nesta imagem composta. Em 2019, eles finalmente relataram sucesso, detectando a molécula. Acredita-se que o hidreto de hélio seja o primeiro tipo de molécula a se formar após o nascimento do universo. Crédito: WILLIAM B. LATTER (SIRTF SCIENCE CENTER / CALTECH) E NASA / ESA

“É o fim de uma longa saga”, diz Paul Goldsmith, astrônomo do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA que não esteve envolvido na descoberta. A detecção prova que os cálculos que previam a existência da molécula exótica estavam corretos, dando crédito às expectativas de que a molécula de fato tomou forma logo após o nascimento do universo.

Pode haver outras moléculas de gás nobre também. No espaço, os átomos de néon superam em muito o argônio, então o néon, ou NeH +, poderia existir. Nesse caso, sua abundância e os locais em que existe iluminarão ainda mais as condições do meio interestelar. Por outro lado, o criptônio é tão raro que provavelmente representa pouca ameaça para qualquer Super-Homem interestelar, e o xenônio é ainda mais raro.

Mas é um vasto universo com temperaturas e densidades que variam enormemente de um lugar para outro e diferem dramaticamente das da Terra. Em algum lugar, no recanto de alguma nuvem interestelar distante, os átomos mais improváveis podem ter se juntado para criar moléculas ainda mais bizarras do que qualquer outra já encontrada, esperando apenas um observador intrépido para detectar sua assinatura espectral nas profundezas do espaço.

Ken Croswell é astrônomo e autor. Na década de 1980, ele e Alex Dalgarno previram que o meio interestelar deveria conter a molécula OD , que os astrônomos descobriram três décadas depois

Este artigo foi publicado originalmente na revista Knowable. Leia o original aqui.

Fonte: Astronomy