Le prime molecole dell’universo finalmente trovate nello spazio

Rinaldo Cervellati.

Il titolo che abbiamo usato è il titolo sensazionale con cui Sam Lemonik annuncia, nel numero del 17 aprile di Chemistry & Engineering newsletter, la scoperta della molecola-ione HeH+ nel mezzo interstellare della nebulosa planetaria[1] NGC 7027, situata a circa 3000 anni luce dalla Terra. La luce di questa “piccola” nebulosa (dimensioni 0.1x 0.2 anni luce)[2] è visibile puntando un telescopio (di almeno 120-150 mm di apertura) verso la costellazione del Cigno, 5° a sud-ovest di Deneb, la stella più brillante del Cigno.

A sinistra: NGC 7027 a forte ingrandimento; a destra: la stessa al telescopio120-150 mm

L’osservazione della molecola-ione HeH+, a lungo cercata, può migliorare i modelli astrochimici dell’universo.

Si ritiene che circa 380.000 anni dopo il Big Bang, il plasma che formava l’universo primordiale si raffreddò abbastanza da permettere ai nuclei e agli elettroni di iniziare a combinarsi. L’elio fu il primo atomo a formarsi e i suoi atomi si unirono abbastanza presto con i protoni (nuclei di idrogeno) per formare la prima molecola-ione dell’universo, l’idruro di elio (HeH+).

L’idruro di elio HeH+ fu sintetizzato dai chimici in laboratorio già nel 1925, ma fu solo negli anni ’70 del secolo scorso che gli scienziati suggerirono che potesse trovarsi nel mezzo interstellare dello spazio. Quattro decenni dopo, un gruppo internazionale di astrofisici, coordinato dal Dr. Rolf Güsten riporta di averlo finalmente osservato nella nebula NGC 7027 (R. Güsten et al., Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+, Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1090-x).

Rolf Güsten

L’incapacità di individuare HeH+ era stata un vero grattacapo per il fisico dell’Università della Georgia Phillip Stancil, uno degli autori di un articolo del 2002 in cui, sulla base di calcoli basati su dati combinati di fisica atomica e molecolare e di astrofisica, veniva prevista HeH+ come prima molecola-ione formatasi nell’universo[3] [1].

Phillip Stancil

Stancil affermò che non si potevano sostenere modelli astrochimici senza riscontri sperimentali su HeH+. Ora, dice, finalmente si può.

Rolf Güsten e collaboratori hanno identificato una linea spettrale caratteristica di HeH+ nelle osservazioni della nebulosa planetaria NGC 7027, uno dei luoghi in cui era probabilmente ritenuta possibile l’esistenza di HeH+. Per l’esattezza è stata identificata la transizione rotazionale J = 1−0 dello stato fondamentale della molecola-ione a 149,137 μm. (2.01018 THz).

Alcuni fattori hanno ostacolato i precedenti tentativi di osservare HeH+, il primo dei quali è la sua relativa scarsità. Una transizione del legame carbonio-idrogeno a 149,09 μm maschera spesso questo segnale, oscurato anche dall’acqua e da altre molecole nell’atmosfera terrestre, rendendo improbabili le osservazioni dalla Terra.

Nell’ambito del progetto SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) dell’ente spaziale americano NASA, i ricercatori coordinati da Rolf Güsten hanno montato su un Boeing 747SP opportunamente modificato, il recente spettrometro eterodina GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies). L’aereo vola nella stratosfera, che blocca il 99% delle radiazioni infrarosse dalla Terra all’atmosfera, a un’altitudine fra 11000 e 14000 metri.

Il Boeing 747SP di SOFIA mentre vola sopra le montagne della Sierra Nevada. Notare la porta del vano per il GREAT

Lo spettrometro GREAT confronta la luce in ingresso con una luce di riferimento, una tecnica che ne aumenta la sensibilità. I ricercatori sono stati così in grado di distinguere la frequenza della transizione di HeH+ da quella del legame C-H.

“È stata una lunga ricerca”, afferma Jérôme Loreau, un fisico che ha sviluppato modelli di come HeH+ e altre molecole si siano sviluppate nell’universo primordiale. Una delle ragioni per cui questa osservazione è interessante, dice, “è che c’è una discrepanza tra l’abbondanza prevista di HeH+ e l’abbondanza osservata”. Sulla base delle loro osservazioni, il gruppo di Güsten ha infatti calcolato un’abbondanza di HeH+ di un fattore 3 più elevata di quanto previsto dai modelli disponibili per le reazioni chimiche nello spazio.

Questa discrepanza indica margini di miglioramento nei modelli astrofisici, afferma Loreau: “Mi aspetto che i modelli dell’universo primitivo cambieranno”. Güsten è d’accordo.

Stancil è meno sicuro. Informa di aver già pianificato con un collega il ricalcolo della velocità di reazione per HeH+ alla luce di questo risultato. Ma sostiene che i calcoli di molti ricercatori richiedono molte assunzioni che potrebbero nascondere qualcosa che non è stata ancora pienamente compresa. Ciononostante, afferma che questa scoperta potrebbe stimolare nuovi modelli e lavori di laboratorio per migliorare la comprensione della chimica nello spazio e nell’universo primordiale.

Articolo tradotto e ampliato da c&en del 17 aprile 2018.

Bibliografia

[1] S. Lepp, P.C. Stancil, A. Dalgarno, Atomic and molecular processes in the early Universe, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 2002, 35, R57–R80.

[1]Una nebulosa planetaria è un tipo di nebulosa a emissione costituita da un guscio di gas ionizzato in espansione, incandescente, espulso dalle stelle giganti rosse al termine delle loro vite. Il termine “planetarie” fu coniato dal loro scopritore, l’astronomo William Herschel (1738-1922), ma in realtà esse spesso contengono stelle ma non pianeti visibili. Successivamente fu dimostrato che queste nebulose erano “piccole” galassie.

[2] La dimensione tipica per una nebulosa planetaria è di 1 anno luce.

[3]La prima molecola neutra formatasi nell’universo è stata l’idrogeno molecolare H2 e rimane il più abbondante [1].

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  1. Pingback: L’importanza della molecola-ione H3+ in astrochimica | La Chimica e la Società

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