Es seguro decir que nuestra existencia no sería posible sin moléculas. Incluso más allá de toda la materia en la Tierra, las moléculas son lo que moldeó el universo en lo que es hoy. Pero, ¿cuál fue la primera molécula en sentar las bases?
Todo comenzó con un ion hidruro de helio (jeh+), que los investigadores investigaron en un nuevo estudiar publicado en Astronomía y astrofísica. Esta molécula, una combinación de hidrógeno ionizado y átomos de helio neutro, probablemente fue un catalizador para la creación de las primeras estrellas.
Ahora, los investigadores han recreado el tipo de reacciones que provocaron que emergieran el hidrógeno molecular de Heh+, obteniendo información sobre la química temprana que trajo un cambio trascendental al universo.
La primera molécula del universo
Cuando el Universo Nació del Big Bang, al principio no había estrellas, planetas o galaxias. Pero no estaba exactamente vacío. Al igual que las temperaturas escandalosamente altas habían comenzado a cocinar a fuego lento después del Big Bang, aparecieron elementos ligeros (en su mayoría hidrógeno y pequeñas cantidades de helio).
Pero estos elementos permanecieron ionizados durante 380,000 años. También existió una nube de electrones libres no vinculados a los átomos durante este tiempo, lo que hace que el universo sea opaco. Eventualmente, sin embargo, el universo se había enfriado lo suficiente como para que los átomos de hidrógeno y helio ionizado atraigan los electrones, lo que resultó en los primeros átomos neutros.
Esto condujo a la primera reacción química, lo que resultó en Heh+. No fue sino hasta varios cientos de millones de años más tarde que las estrellas comenzaron a formarse, un proceso en el que Heh+ y Hidrógeno molecular (H2) fueron una parte crucial. El jeh+ ion, en particular, es un refrigerante efectivo. Dado que la formación de estrellas debe comenzar con grupos de gas y polvo muy fríos, esto hace que Jeh+ sea un ingrediente perfecto.
Durante este proceso, las colisiones con átomos de hidrógeno libres hacen que HEH+ se degrade en un ion helio neutro y un ion H2+. Estos productos luego reaccionan con otro átomo de hidrógeno para formar hidrógeno molecular.
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Recreando las primeras reacciones químicas
Para el nuevo estudio, los investigadores probaron este tipo de reacción en condiciones similares a las del universo temprano. Este experimento implicó la interacción de Heh+ con Deuterium, que es un isótopo de hidrógeno que contiene un neutrón adicional en el núcleo atómico junto con un protón.
En este caso, la reacción creó un átomo de helio neutro y un ion HD+ en lugar de un ion H2+. Los investigadores llevaron a cabo esta prueba en el anillo de almacenamiento criogénico en el Instituto Max Planck para Física Nuclear (MPIK) en Heidelberg, Alemania, donde las reacciones moleculares y atómicas se pueden realizar en condiciones de espacio.
Los investigadores almacenaron los iones HEH+ por hasta 60 segundos en unos pocos kelvins (-267 ° C), durante el cual un haz de iones de deuterio neutros interactuó con los iones. Las velocidades relativas de las dos vigas de partículas se ajustaron para observar cómo cambia la velocidad de colisión en función de la energía de colisión, que está directamente relacionada con la temperatura.
Los investigadores encontraron que la velocidad a la que ocurre la reacción no se ralentiza a medida que disminuye la temperatura, sino que permanece constante.
“Las teorías previas predijeron una disminución significativa en la probabilidad de reacción a bajas temperaturas, pero no pudimos verificar esto en el experimento o los nuevos cálculos teóricos de nuestros colegas”, dijo Holger Kreckel de la MPIK, en un declaración. “Las reacciones de Heh+ con hidrógeno neutro y deuterio, por lo tanto, parecen haber sido mucho más importantes para la química en el universo temprano de lo que se suponía anteriormente”.
Hidruro de helio en el universo moderno
El nuevo estudio indica que HEH+ y el hidrógeno molecular eran componentes esenciales de formación de estrellas. Pero, ¿qué pasó con la primera molécula JEY que puso las cosas en movimiento hace miles de millones de años? No solo esa molécula se ha ido, sino que las moléculas de hidruro de helio no están tan presentes en el universo moderno.
No fue hasta 2019 que los científicos directamente observado Hidruro de helio por primera vez utilizando el Observatorio Estratosférico para la astronomía infrarroja (Sofía). Se encontró a unos 3.000 años de luz en una nebulosa planetaria llamada NGC 7027, donde la radiación ultravioleta y las altas temperaturas de una estrella envejecida cercana crean condiciones adecuadas para que se forme el Heh+.
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Jack Knudson es editor asistente de Discover con un gran interés en la ciencia e historia del medio ambiente. Antes de unirse a Discover en 2023, estudió periodismo en el Scripps College of Communication en la Universidad de Ohio y previamente internado en la revista Recycling Today