Gels de pols interestel·lar: “banys termals” per a les reaccions astroquímiques

En una de les meves (poques, ho reconec!) entrades en aquest blog, vaig comentar qüestions sobre la matèria interestel·lar i que una petita part d’aquesta es troba en forma de grans de pols interestel·lar (si voleu llegir l’entrada, cliqueu aquí). Aquests grans són partícules microscòpiques (d’entre 0,1–100 micròmetres) constituïdes per silicats o materials carbonacis, que poden estar recoberts per mantells de gels, principalment d’aigua (H₂O), però també de petites quantitats d’altres components com el monòxid de carboni (CO), diòxid de carboni (CO₂), amoníac (NH₃) i metanol (CH₃OH).

Els grans de pols interestel·lar són components vitals en diversos processos astrofísics, tals com el naixement d’una estrella; això no obstant, també tenen un paper molt important en l’inventari químic present en l’Univers, i més concretament en la formació de molècules en el medi interestel·lar. En efecte, se sap que certes reaccions químiques només evolucionen (o sigui, s’arriben a formar els productes finals) en presència dels grans de pols. Hi ha prou consens en la comunitat astroquímica per afirmar que els grans de pols interestel·lar són plataformes microscòpiques que contenen “llocs” en les seves superfícies on les reaccions es veuen afavorides i formen els productes finals eficientment. Ara bé, poc es coneix sobre el paper real de les superfícies en aquestes reaccions: quin és el motiu concret pel qual aquestes reaccions funcionen quan succeeixen en les superfícies dels grans mentre que no ho fan en altres "llocs"? Què és el que fa que aquests “llocs” en les superfícies siguin específics perquè les reaccions evolucionin favorablement? Aquestes són preguntes que han portat de corcoll la comunitat astroquímica durant dècades.

Òbviament, des de la presa de consciència que els grans de pols interestel·lar són peces clau per explicar la diversitat i complexitat química en l’espai, s’han fet moltes investigacions per conèixer el paper exacte d’aquests en reaccions astroquímiques. Un dels papers que se’ls atribueix és el del tercer cos. Prenem com a exemple la formació de la molècula d’hidrogen (H₂). Aquesta té lloc a partir de la unió de dos àtoms d’hidrogen (H), o sigui: H + H → H₂. Aquesta reacció, que succeeix quan els dos àtoms de H s’uneixen (quan es forma un enllaç químic entre els dos), allibera molta energia, la qual s’anomena energia de reacció. No obstant això, en el medi interestel·lar (amb densitats atòmiques molt baixes i condicions pràcticament de buit absolut), si la reacció succeeix en fase gas (sense la presència de cap gra de pols interestel·lar), aquesta energia de reacció queda en forma d’energia interna en la molècula de H₂ formada, ja que no es pot transferir a enlloc. Com que l’energia de reacció no pot alliberar-se, aleshores aquesta es “reutilitza” per trencar la molècula de H₂, formant-se novament els dos àtoms de H (la molècula es dissocia). Per tant, a efectes pràctics, és com si la reacció no hagués ocorregut. Ara bé, si la reacció passés en una superfície d’un gra de pols interestel·lar, una vegada la molècula d’H₂ es forma, l’energia de reacció pot ser transferida i absorbida pel gra (fet que s’anomena efecte del tercer cos), evitant així que la molècula de H₂ formada pugui dissociar-se i, per tant, en provoca l'estabilització. Aquest efecte de tercer cos, però, no s’havia demostrat mai. Quedava com una suposició. Només es tenien evidències indirectes en experiments.

Tanmateix, recentment, simulacions computacionals basades en la mecànica quàntica (en les quals he participat) han demostrat que, efectivament, reaccions que succeeixen en les superfícies dels grans de pols interestel·lar tenen la capacitat d’absorbir i dissipar les energies alliberades en una reacció química, permetent la supervivència de les molècules formades. En particular, les reaccions estudiades han sigut la formació del H₂ (H + H → H₂) i la formació del HCO a partir de l’addició d’un àtom d’H en el CO (H + CO → HCO), ambdues sobre superfícies de mantells de gels d’aigua. Les simulacions utilitzen una tècnica anomenada dinàmiques moleculars ab initio (AIMD, de les sigles en anglès ab initio molecular dynamics), i amb aquesta es pot fer un seguiment de la destinació de les energies de reacció. Amb aquesta monitorització s’ha pogut demostrar clarament que hi ha una transferència d’energia molt ràpida des de la molècula formada a la superfície del gel, que a més es dissipa entre les molècules d’aigua constituents del gel com si fos una ona que s’expandeix al llarg del mantell. Per a tots aquells que estigueu interessats a llegir els articles (publicats en la revista Astrophysical Journal), al final de post hi trobareu els enllaços.

Amb aquestes simulacions computacionals, doncs, s’ha evidenciat per primera vegada i de forma directa un dels papers que s’atribueixen als grans de pols interestel·lar en reaccions de rellevància astroquímica: el del tercer cos. Malgrat això, convé dir que els estudis s’han centrat en dues reaccions concretes i que la composició de les superfícies dels grans són exclusivament de H₂O. Moltes incògnites queden per resoldre en relació amb aquests efectes de tercer cos, tals com la influència de la naturalesa química dels grans (actuarien també de tercer cos superfícies de silicats o de materials carbonacis?) o els tipus de reaccions químiques (és vàlid l’efecte del tercer cos en qualsevol reacció química que succeeix en superfícies de grans de pols interestel·lar?). Mentre s’investiga sobre aquestes qüestions i d’altres de relacionades sobre el paper real dels grans de pols interestel·lar en l’evolució química en l’Univers, conec algunes reaccions químiques que gaudeixen d’uns banys termals per relaxar-se.

Enllaços als articles:

Reacció H + C → HCO, clicant aquí.

Reacció H + H → H₂, article en format editorial (accés restringit) clicant aquí; article en format lliure (accés obert, arxiv.org), clicant aquí.