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H3+, la Molécula que construyó el Universo

26/04/2012 18:25

0 En un estudio que ha puesto al límite la misma teoría de la mecánica cuántica, los investigadores de la Univ. de Arizona, han encontrado la manera de ver la molécula que probablemente formara el universo, o por lo menos esa pequeña parte caliente y ardiente del mismo

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Acechando en las vastas y frías regiones entre las estrellas, la modesta molécula conocida como el ion triatómico de hidrógeno , o H3+, puede contener los secretos de la formación de las primeras estrellas después del Big Bang.

En la Universidad de Arizona, el entonces doctorando Michele Pavanello, se pasó meses haciendo cálculos minuciosos, para encontrar una manera de detectar la H3+ y desvelar su papel primordial en la astronomía y la espectroscopia, supervisado por Ludwik Adamowicz, profesor de la facultad de química y bioquímica de la UA.

"La mayor parte del universo se compone de hidrógeno en diversas formas", apuntaba Adamowicz, "pero el H3+ es el ión molecular más frecuente en el espacio interestelar. También es una de las moléculas más importantes de la existencia."

Se cree que ha sido fundamental para la formación de estrellas en los primeros días del universo, la H3+ es también precursora de muchos tipos de reacciones químicas, señaló Adamowicz, entre ellas las que conducen a compuestos como el agua o el dióxido de carbono, que son esenciales para la vida.

Las primeras estrellas que se iban calentando cada vez más hasta que explotaban antes de haberse formado, según Pavanello, a menos que hubiera una forma de liberar parte de esa energía acumulada.

"No se habrían formado ningún tipo de estrellas de no haber existido estas moléculas capaces de enfríar lentamente a la estrella en formación mediante la emisión de luz", explicó Pavanello. No hay muchas moléculas capaces de hacer eso, añadió, en parte porque en los primeros días del universo existían muy pocas moléculas.

"Los astrónomos piensan que la única molécula que podía haber enfriado una estrella en formación en aquel momento en particular era la H3+".

La perfecta asimetría

Otra molécula, el hidrógeno molecular, que probablemente estuvo presente, habría tenido mucho más difícil enfriar una estrella en formación que la H3+. "Al hidrógeno no le gusta emitir luz, mientras que la H3+ se puede curvar y vibrar, y al hacerlo, es capaz de emitir luz", señaló Pavanello.

La H3+ es una molécula cargada eléctricamente, un ion. Consta de tres átomos de hidrógeno con sólo dos electrones, en contra de tres que es más equilibrado, para compartir electrones entre ellos. Al carecer de un electrón de carga negativa, la molécula adquiere uno de carga positiva.

La H3+ tiene una forma triangular, explicó Adamowicz. "Cuando está excitado comienza a vibrar de varias maneras."

"Uno tiene que desarrollar a una gran cantidad de cálculos a nivel de la mecánica cuántica para predecir las vibraciones", continuó Adamowicz. "El papel de la teoría es esencial para simular estas vibraciones en el ordenador, después se describe cómo la molécula se está moviendo.”

Si se entienden las distintas vibraciones de la H3+ se podría ayudar a los astrónomos a deducir hasta qué punto tuvo un papel en la formación de las primeras estrellas.

"En los años 1990, la H3+ fue observada alrededor de las estrellas. Las estrellas emiten radiación, lo que no sólo contribuye a la producción de H3+, sino que también excita la molécula hacia estados de más alta energía. La molécula también puede excitarse a través de la energía sobrante de las reacciones químicas en las que se ve envuelta o a través de las colisiones con otras moléculas. En el proceso de excitación de la molécula emite fotones que son detectados por nuestros radio telescopios."

"Esto sólo puede suceder con la H3+, porque el hidrógeno molecular es muy simétrica", dijo Pavanello. "Así pues, la H3 tiene una muy importante función de enfriamiento en la etapa de formación de las primeras estrellas después del Big Bang."

"La única manera de que podamos predecir cómo se forman las estrellas es que si conocemos bien cuáles son las capacidades de enfriamiento de la H3+, y no podemos saber su capacidad de refrigeración hasta que conozcamos su espectro vibracional. Tenemos que saber cuáles son estos niveles de energía" señaló Pavanello.

Los innovadores resultados han sido publicados en una edición reciente dePhysical Review Letters

"Con este trabajo se ha identificado un cierto umbral de energía que ya es lo suficientemente bueno como para generar predicciones precisas de una capacidad de enfriamiento de la H3+", señaló Pavanello.

Ocurrió casi por casualidad

El grupo no tenía la intención de descubrir los secretos de la H3+, dijo Pavanello, que se graduó en la UA en 2010, con una prestigioso beca posdoctoral Marie Curie, que le llevó a la Universidad de Leiden de los Países Bajos. En la actualidad es profesor asistente de química teórica en la Universidad Rutgers en Newark, N.J.

"Todo ocurrió casi por casualidad", dijo. "Un amigo de la instalación de la espectrometría de masas en la facultad de química de la UA resultó ser un muy buen químico cuántico de Hungría. Él visitó una vez el departamento y hablé con Ludwik sobre la posibilidad de hacer algunos cálculos con la H3+. En ese momento, yo estaba empezando. El código que escribía estaba prácticamente terminado, y pensamos que la H3+ podría ser un buen sistema con el que poner a prueba este código."

Los investigadores introducían un código en los superordenadores del High Performance Computing Center de la UA, que describía la forma en que vibra la H3+, de acuerdo con los principios de la mecánica cuántica. "No podríamos haber hecho esto sin su apoyo", comentó Pavanello.

En función del nivel de aproximaciones realizadas en el código informático, dijo Pavanello, los investigadores pudieron desarrollar un software capaz de describir muy bien el movimiento de pequeñas o grandes moléculas, de forma muy aproximada.

"Hemos decidido implementar algo que básicamente no tenía aproximaciones, aunque, por supuesto, a costa de que sólo se puede aplicar a moléculas muy pequeñas", prosiguió. "Nuestro método no existía antes de forma convencional."

Los resultados del equipo de la UA fueron corroborados por los equipos de Hungría, Francia, Londres y Rusia, y también por los experimentos realizados en el Instituto Max-Planck en Heidelberg, Alemania, que creó la H3+ en un laboratorio y verificó que sus líneas espectrales coincidían con las predicciones.

Esta contribución permitió a los investigadores por primera vez asignar las líneas espectrales de la H3+ a los tipos particulares de movimientos vibratorios, como los fotones lanzados de ion, con longitudes de onda cercanas a lo visible. Estas longitudes de onda contribuyen al color de la luz que irradia el H3+ hacia nosotros desde el espacio interestelar.

Los colores del universo

"Si apuntamos un telescopio al cielo, veremos las líneas espectrales específicas de una cierta molécula o átomo", decía Pavanello. “Las diferentes moléculas emiten fotones con longitudes de onda distintas, que dan lugar a diferentes líneas espectrales que permiten a los astrónomos determinar la composición química de las estrellas. De esta forma, cuantos más telescopios consigan esa exactitud y precisión, más líneas espectrales veremos."

"Hemos llegado a un punto en el que vemos muchas más líneas espectrales de las que podemos identificar, y no sabemos lo que significan esas líneas."

Conocer los niveles de vibración, y por tanto, las líneas espectrales de la H3+, permitirá a los astrónomos y los astro-químicos identificar, entre la inundación de líneas espectrales y demás, la composición elemental de objetos en el espacio.

También permite a los científicos poder predecir la capacidad de enfriamiento de la H3+, y generar un escenario posible para saber cómo se formaron esa primera generación de estrellas después del Big Bang, explicó Pavanello. "Ahora tenemos una pieza importante del rompecabezas necesario para iniciar un modelo fiable de formación de las primeras estrellas".

- FUENTE. Univ.Arizona.news ,

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