Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next, donde se publicó originalmente como Un experimento abre la puerta a la búsqueda de nuevas moléculas interestelares.

La composición de las nubes de polvo interestelares (o de cualquier objeto distante en el espacio que no sea una estrella) es conocida por la luz reflejada que recibimos de ella. En esta radiación pueden faltar algunas frecuencias que son las que ha absorbido esa materia y que actúan como una huella dactilar que permite identificar las sustancias que la componen. Pero, al igual que en el caso de las huellas dactilares policiales, para que la identificación sea posible el sospechoso tiene que estar fichado. Esto significa que debemos conocer qué combinación de frecuencias se corresponden a cada sustancia. Y para conocer estas combinaciones es necesario hacer cálculos teóricos y experimentos en la Tierra con las sustancias que pensamos puedan existir en el espacio interestelar.

Estas combinaciones químicas posibles son muy diferentes a las que se pueden dar en la Tierra, debido fundamentalmente al frío extremo en el espacio, apenas unos grados por encima del cero absoluto. Por esto mismo determinadas reacciones químicas que en la Tierra o en Marte ocurren con mucha facilidad, en el espacio son desde el punto de vista energético tremendamente improbables. O esto es lo que se pensaba. Un experimento llevado a cabo en Francia demuestra que un efecto cuántico podría hacer posibles estas reacciones, con lo que existiría toda una cosmoquímica compleja y rica pendiente de descubrir en las nubes interestelares. El artículo que lo describe aparece en Physical Review Letters, publicado por un equipo encabezado por Marco Minnisale de la Universidad de Cergy Pontoise y el Observatorio de París (Francia).

En esas partes del espacio en las que la temperatura está sólo unos grados por encima del cero absoluto se pensaba que el único átomo capaz de moverse en la superficie de las partículas de polvo heladas para reaccionar con otros átomos era el hidrógeno; mientras que los átomos de los demás elementos estarían quietos, congelados. Minnisale et al. lo que han demostrado es que el oxígeno (y si lo hace el oxígeno nada impide que lo pueda hacer también el nitrógeno o el carbono) usa el mismo truco que el hidrógeno para evitar las barreras energéticas: el efecto túnel cuántico.

El experimento consistió en lanzar una serie de átomos de oxígeno (O) a una superficie de agua helada a 6,5 K (casi -267ºC). A esas temperaturas tan sumamente bajas los átomos de oxígeno tienen poca energía térmica y cabe esperar que se depositen en la superficie, sin más. Los investigadores controlaron la aparición de moléculas de oxígeno (O₂) y ozono (O₃) en la superficie. El oxígeno molecular aparecería en el caso de que hubiese una colisión entre dos átomos de oxígeno que se estuviesen desplazando por la superficie y el ozono tras un choque entre una molécula de oxígeno y un átomo.

Entre los 6,5K y los 20K se comprobó que se generaba tanto oxígeno molecular como ozono, lo que indicaba que los átomos de oxígeno deambulaban por la superficie y chocaban entre sí y con moléculas a pesar de la mínima energía térmica que tenían. Alrededor de los 20K había un incremento brusco de la actividad. Estos resultados se interpretan como que por debajo de 20K los átomos de oxígeno se difunden por el efecto túnel cuántico (atraviesan las barreras energéticas), mientras que por encima de ese umbral la energía térmica es suficiente como para subir las barreras al estilo clásico, lo que dispara la actividad.

Si esto es así puede que en el polvo interestelar, a pesar del frío, se estén produciendo reacciones complejas que hasta ahora no sospechábamos, por lo que debemos prepararnos para descubrir en el futuro toda un universo de nuevas moléculas espaciales.

Referencias:

M. Minnisale et al (2013) Quantum Tunneling of Oxygen Atoms on Very Cold Surfaces Phys. Rev. Lett.111, 053201 DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.053201

Quantum tunnelling sparks chemistry on cold surfaces

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance