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| Ilustración de la nebulosa planetaria NGC 7027 y las moléculas de hidruro de helio. Image Credit: NASA/SOFIA/L. Proudfit/D.Rutter |
El primer tipo de molécula que se formó en el universo se detectó en el espacio por primera vez, después de décadas de búsqueda. Los científicos descubrieron su firma en nuestra propia galaxia utilizando el observatorio aéreo más grande del mundo, el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja de la NASA, o SOFIA, mientras el avión volaba por encima de la superficie de la Tierra y apuntaba sus sensibles instrumentos hacia el cosmos.
Cuando el universo aún era muy joven, solo existían unos pocos tipos de átomos. Los científicos creen que alrededor de 100.000 años después del Big Bang, el helio y el hidrógeno se combinaron para crear una molécula llamada hidruro de helio por primera vez. El hidruro de helio debe estar presente en algunas partes del universo moderno, pero nunca se había detectado en el espacio, hasta ahora.
SOFIA encontró el hidruro de helio moderno en una nebulosa planetaria, un remanente de lo que una vez fue una estrella parecida al Sol. Localizada a 3.000 años luz de distancia, cerca de la constelación de Cygnus, esta nebulosa planetaria, llamada NGC 7027, tiene condiciones que permiten que se forme esta molécula misteriosa. El descubrimiento sirve como prueba de que el hidruro de helio puede, de hecho, existir en el espacio. Esto confirma una parte clave de nuestra comprensión básica de la química del universo primitivo y cómo evolucionó a lo largo de miles de millones de años en la química compleja de hoy. Los resultados se publican esta semana en Nature.
"Esta molécula estaba al acecho, pero necesitábamos los instrumentos adecuados para hacer las observaciones en la posición correcta, y SOFIA pudo hacerlo perfectamente", dijo Harold Yorke, director del Centro de Ciencia SOFIA, en Silicon Valley, California.
Hoy en día, el universo está lleno de estructuras grandes y complejas, como planetas, estrellas y galaxias. Pero hace más de 13 mil millones de años, después del Big Bang, el universo primitivo estaba caliente, y todo lo que existía eran algunos tipos de átomos, en su mayoría helio e hidrógeno. Cuando los átomos se combinaron para formar las primeras moléculas, el universo finalmente pudo enfriarse y comenzó a tomar forma. Los científicos han inferido que el hidruro de helio fue esta primera molécula primordial.
Una vez que comenzó el enfriamiento, los átomos de hidrógeno pudieron interactuar con el hidruro de helio, lo que lleva a la creación de hidrógeno molecular, la molécula principal responsable de la formación de las primeras estrellas. Las estrellas siguieron forjando todos los elementos que conforman nuestro rico y químico cosmos de hoy. El problema, sin embargo, es que los científicos no pudieron encontrar hidruro de helio en el espacio. Este primer paso en el nacimiento de la química no estaba probado, hasta ahora.
"La falta de pruebas de la existencia misma de hidruro de helio en el espacio interestelar fue un dilema para la astronomía durante décadas", dijo Rolf Guesten, del Instituto Max Planck de Radioastronomía, en Bonn, Alemania, y autor principal del artículo.
El hidruro de helio es una molécula delicada. El helio en sí mismo es un gas noble, por lo que es muy poco probable que se combine con cualquier otro tipo de átomo. Pero en 1925, los científicos pudieron crear la molécula en un laboratorio al convencer al helio para que compartiera uno de sus electrones con un ion de hidrógeno.
Luego, a fines de la década de 1970, los científicos que estudian la nebulosa planetaria llamada NGC 7027 pensaron que este ambiente podría ser el adecuado para formar hidruro de helio. La radiación ultravioleta y el calor de la estrella envejecida crean condiciones adecuadas para que se forme hidruro de helio. Pero sus observaciones no fueron concluyentes. Los esfuerzos posteriores indicaron que podría estar allí, pero la molécula misteriosa continuó eludiendo la detección. Los telescopios espaciales utilizados no tenían la tecnología específica para detectar la señal de hidruro de helio de la mezcla de otras moléculas en la nebulosa.
En 2016, los científicos acudieron a SOFIA en busca de ayuda. Volando hasta 45.000 pies, SOFIA hace observaciones sobre las capas interferentes de la atmósfera de la Tierra. Pero tiene un beneficio que los telescopios espaciales no: regresa después de cada vuelo.
"Podemos cambiar los instrumentos e instalar la última tecnología", dijo el científico adjunto del proyecto SOFIA, Naseem Rangwala. "Esta flexibilidad nos permite mejorar las observaciones y responder a las preguntas más urgentes que los científicos quieren que se contesten".
Una actualización reciente a uno de los instrumentos de SOFIA llamado GRAN, agregó el canal específico para el hidruro de helio que los telescopios anteriores no tenían. El instrumento funciona como un receptor de radio. Los científicos sintonizan con la frecuencia de la molécula que están buscando, similar a sintonizar una radio FM a la estación correcta. Cuando SOFIA llegó al cielo nocturno, científicos entusiastas estaban a bordo leyendo los datos del instrumento en tiempo real. La señal de hidruro de helio finalmente llegó fuerte y clara.
"Fue tan emocionante estar allí, viendo hidruro de helio por primera vez en los datos", dijo Guesten. “Esto trae una larga búsqueda a un final feliz y elimina las dudas sobre nuestra comprensión de la química subyacente del universo primitivo."