La astroquímica es una ciencia que complementa a la astronomía, se encarga de estudiar a los cuerpos celestes que se encuentran en nuestro universo, identificando la composición química de estos. ¿Cómo es posible conocer la composición química del material que se encuentra en el espacio?, lo invitamos a descubrirlo, aquí.
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¿Qué estudia la astroquímica?
La astronomía es la ciencia que estudia al universo, abarcando no solo el conocimiento de los cuerpos celestes que lo conforman, sino también su formación y desarrollo, por lo que necesariamente se convirtió en una ciencia interdisciplinaria que se fortalece con las ciencias puras como Física, Química, Biología y Matemática, las cuales se han desarrollado de alguna manera como ciencias auxiliares. Hoy vamos a conocer sobre la Astroquímica.
La Astroquímica es la ciencia interdisciplinaria de la astronomía que tiene como objetivo fundamental conocer los procesos físicos y químicos que intervienen en la composición química de las partículas interestelares, del gas que se encuentra presente y por supuesto de la composición química de los cuerpos celestes.
La importancia de conocer la composición de los cuerpos, partículas y gases del universo, es que el conocimiento de las moléculas que lo componen, se convierten en un indicador de las condiciones físicas del entorno en donde se encuentra, pudiendo ser utilizada dicha información para identificar, comparar y también como una herramienta que permite el estudio del Universo a diferentes escalas.
Para comprender un poco más de los que estamos hablando, podemos dar como ejemplo el conocimiento de la composición química del gas, para saber de ello es necesario determinar su densidad, la temperatura, el grado de ionización y la radiación que se encuentra presente en su entorno. Como podemos ver, es mucha la información que debe ser analizada, para poder conocer la composición química del gas, es por ello que la astroquímica ha resultado una ciencia muy útil.
Adicionalmente a lo antes dicho, el conocimiento de los procesos químicos que se generan en el gas interestelar regulan la formación de estrellas y planetas, por lo tanto, conocer la composición química del gas permite también conocer parte de la composición de las estrellas y de los planetas.
La composición química del gas también permite conocer cómo será su comportamiento, ya que el tipo de condensación dependerá de los elementos químicos presentes en su composición, su acoplamiento con el campo magnético, la posibilidad de contracción o expansión de las nubes y su posible colapso. Todo ello está asociado a la composición química del gas. Ahora imaginen conocer la composición química de las partículas de polvo, esto nos acerca aún más al conocimiento de los planetas que se encuentran en el universo.
Pero ¿cómo es posible conocer de qué se componen las partículas de polvo?, por supuesto que es algo sumamente difícil, que ha ameritado el desarrollo de modelos químicos que permiten simular las fases gaseosas y sólidas de las partículas, información que al ser complementada con las observaciones astronómicas, permite predecir la composición química del polvo.
A la vez es posible darle seguimiento a las pequeñas moléculas que conforman dichas partículas de polvo, las cuales están inicialmente constituidas por agua y monóxido de carbono y que además pueden formarse a partir de ellas moléculas más complejas, es uno de los objetivos de la astroquímica.
Ellas son el insumo inicial para que se formen nuevos planetas, por lo tanto, conocer cuál es el destino de ellas puede ayudar a encontrar el enlace que hace falta para conocer o al menos estar más cerca del origen de la vida. Es por ello, que el mayor esfuerzo en los estudios desde la Astroquímica está dirigido a conocer la composición química de las nubes moleculares.
Con el tiempo, se han desarrollado telescopios que permiten la observación del material interestelar que se encuentra en las nubes moleculares y su recorrido hasta los discos protoplanetarios. Estos son las zonas de acumulación, por llamarlo de un modo coloquial, en donde se encuentra o reúne el material interestelar alrededor de una estrella joven.
Es en esos discos protoplanetarios en donde se generan los procesos físicos que promueven la formación de los planetas. La química sin lugar a dudas es una ciencia importante, a partir de ella hemos podido conocer y lograr entender nuestro planeta.
El conocimiento de los elementos que componen la materia orgánica e inorgánica, nos ayuda definitivamente a comprender su nivel de organización. Para ello es necesario estudiar al mundo desde una perspectiva atómica, desde esta perspectiva se pueden llegar a conocer los hechos que se desarrollan tanto a nivel interno como externo de nuestro planeta.
Sabemos que el universo es un sistema dinámico de constantes cambios y partiendo de la premisa de que todo cambia y nada es una constante, lo mejor que podemos hacer es conocer las partes más pequeñas que lo componen.
El estudio de la materia, entonces nos permitirá conocer los elementos que la conforman. La Astroquímica forma parte de lo que se conoce como Química Aplicada, la cual se encarga de estudiar la composición de la materia del universo. Es la que permite conocer la composición química del Sol y de los planetas, las estrellas, el gas, el polvo cósmico, por nombrar algunos de los cuerpos celestes y cósmicos que conforman al universo.
Para ello la Astroquímica debe llegar a entender el comportamiento de los átomos, las moléculas que se forman, las posibles reacciones y los productos que se generan, de los iones que se encuentran libres y forman parte de la atmósfera, cuál es la abundancia de estos, entre otros procesos y factores que intervienen en el comportamiento, formación y desarrollo del universo y sus componentes.
Para poder realizar este análisis, la Astroquímica utiliza una serie de herramientas que le permiten medir las radiaciones electromagnéticas que emiten o absorben los cuerpos celestes, siendo la radioastronomía y la espectroscopia dos de ellas y fundamentales para tal fin. Comentaremos sobre cada una más adelante.
La Astroquímica tiene una historia muy interesante, la misma se desarrolló a partir de la observación de las longitudes de onda milimétricas en los años 70. El primer descubrimiento fue la presencia de monóxido de Carbono, el cual es una molécula que se compone de un átomo de carbono y un átomo de oxígeno. Hoy en día se conocen más de 150 moléculas que se encuentran en el espacio.
Lo mejor de la astroquímica es que para obtener información y conocer de qué está compuesto el universo, no es necesario salir al espacio, permitiendo desde el análisis entender de qué se componen los astros, cómo está organizado el Universo y poder comprender el desarrollo del planeta.
Una rama súper interesante de la Astroquímica es el estudio de la química orgánica prebiótica, la cual permite comprender el origen de la vida en la Tierra. Como es conocido, existen teorías que proponen que la vida en nuestro planeta surge por la llegada de componentes desde otros sitios del espacio. Esta teoría se conoce como la teoría de la panspermia de Crick.
Por su parte, la teoría de la Generación abiótica propone una formación espontánea, con las condiciones preexistentes en la Tierra (Oparin y Haldane, en 1922). Es así como nace la Química prebiótica, que propone reproducir de manera experimental las condiciones que pudieron dar inicio a la vida. La química prebiótica busca encontrar o identificar los compuestos químicos que podrían sintetizarse en esas condiciones originales.
Es la Astroquímica la que definitivamente provee la información necesaria para su replicación a través de la química prebiótica. Para ello, el primer paso es la identificación del elemento en el espacio y esto es posible identificando la longitud de onda del elemento, la cual viene siendo como nuestra huella dactilar, es única para cada individuo, como es única la radiación reflejada de cada elemento.
Luego se verifica la información, si es o no un nuevo elemento. De ser un nuevo elemento se inician los estudios químicos para su identificación. Cuando se logra identificar, se estudia entonces su funcionamiento, para lo que se usan los modelos químicos y experimentos que simulan las condiciones estelares. De esta manera, la Astroquímica permite conocer la formación del Universo.
Áreas de la Astroquímica
La Astroquímica es una ciencia nueva que estudia las moléculas desde lo elemental: composición, formación, abundancia, permanencia y destrucción, en diferentes ambientes. Puede llamarse ambiente a las nubes moleculares, atmósferas planetarias, discos protoplanetarios, cometas, entre otros.
Con base en las características de los ambientes en los que está siendo estudiada la molécula, se puede hacer una clasificación de la Astroquímica en varias áreas. Por lo tanto, se puede hablar de Astroquímica de observación, Astroquímica teórica y Astroquímica Experimental.
- La Astroquímica de observación se encarga, tal como su nombre lo indica, de la observación de las moléculas mediante la longitud de ondas de radio e infrarrojos.
- La Astroquímica teórica se ocupa de identificar e incorporar las reacciones químicas que se pueden generar en las superficies de las moléculas, lo que permitirá predecir el tipo de evolución y desarrollo que tendrá la misma. Esta información permite desarrollar los modelos químicos.
- Por último y no menos importante se encuentra la Astroquímica Experimental, es un área multidisciplinaria que se encarga de la investigación y comprobación de la viabilidad y supervivencia de las moléculas. Para ello se deben recrear los ambientes en los que fue identificada la molécula.
Espectroscopia
La espectroscopia es una disciplina fundamental para la Astroquímica, ya que la misma se encarga del análisis espectral de la luz que es emitida por los astros. La misma permite reconocer y en el peor de lo casos inferir con base en las características y variaciones, la existencia de los elementos químicos que se encuentran presentes en el foco de emisión de luz.
Los astroquímicos analizan en detalle cómo diferentes formas de radiación electromagnética interactúan con átomos y moléculas y es esta interacción la que se conoce con el nombre de espectroscopia. Está definido que existen varios tipos de radiación electromagnética, por lo tanto y en consecuencia, existen varios tipos de espectroscopia y su detección va a depender de la frecuencia de la luz que se utilice.
De este manera, existen varias formas de realizar los estudios de Espectroscopia, entre los que señalaremos y desarrollaremos en detalle se encuentra la Espectroscopia de rayos Ultravioleta y la Espectroscopia Infrarroja. Para medir la concentración de los elementos presentes e identificados se utiliza la Espectrofotometría, de esta también daremos a conocer: la ley de Bouguer -Lambert – Beer.
Cuando los astroquímicos utilizan algunas de las longitudes de ondas anteriormente mencionadas que le dan nombre a los tipos de espectroscopias que utilizan, en realidad están analizando lo que ocurre dentro de los átomos y de las moléculas, cuando fotones activos dentro de esos rangos de luz, son emitidos o son absorbidos por estos.
De acuerdo con la energía del fotón que haya sido absorbida o emitida, se generarán diferentes fenómenos. Cuando se utiliza la Espectroscopia de rayos Ultraviolea o UV-Vis, la energía de este fotón de luz visible, puede excitar uno de los electrones del átomo, lo que puede generar que alcance un nivel de energía mayor, produciendo una transición en el átomo.
Cuando logramos que se produzca el movimiento de un electrón, desde un nivel de menor energía a uno de mayor energía o desde un nivel mayor de energía a uno menor, se habla de transición. Ahora por favor vamos a estar muy atentos para comprender lo que sucede en el átomo. Para que ocurra un proceso de transición, la energía del fotón absorbido debe ser mayor o igual que la diferencia de energía entre los niveles atómicos.
Sin embargo, una vez excitado el electrón y que este alcance un mayor nivel de energía, también será más inestable, por lo que el mismo buscará retomar su nivel de energía menor y justo en el momento en que retome ese nivel, emitirá un fotón. Ese fotón emitido tendrá la energía que resulta de la diferencia que exista entre los niveles energéticos involucrados.
Por lo tanto, mientras mayor sea la diferencia, es decir mientras mayor sea la distancia entre niveles de energía, mayor será la frecuencia del fotón emitido por el electrón conforme cae a un estado de menor energía. Esto quiere decir que los electrones excitados que caen de niveles de energía de diferentes frecuencias, emitirán diferentes colores.
Las transiciones de energía para los electrones de cada elemento son únicas, y distintas unas de otras, como indicamos anteriormente, son su huella dactilar. Por lo tanto, en la astroquímica utilizan la espectroscopia para examinar los colores de la luz emitida por un átomo particular, para identificar ese elemento basados en su espectro de emisión. Con este tipo de herramienta los científicos están en la capacidad de aislar elementos a distintas longitudes de onda.
Con respecto a la Espectroscopia infrarroja o IR, permite identificar a las moléculas fuera del rango de lo visible. Una radiación de menor energía también tiene la capacidad de generar cambios en los átomos y en las moléculas.
A pesar de que este tipo de energía no es suficiente como para producir la excitación del electrón o de los electrones, sí puede provocar que se produzcan enlaces químicos entre moléculas, lo que hace que vibren de manera diferente. Al igual que la energía que se necesita para excitar a un electrón de un átomo definido es fija, también lo es la vibración necesaria para cambiar un enlace químico.
En los laboratorios de astroquímica se pueden entonces realizar experimentos utilizando el espectro del infrarrojo, haciendo cambiar por ejemplo una molécula de enlaces simples y transformarlos en enlaces dobles, como cada uno de estos enlaces es diferente, también vibrarán de manera distinta.
Por último, la Espectrofotometria es un tipo de espectroscopia que se utiliza para determinar la concentración de la soluciones que contienen compuestos coloreados. Tal cual suena, mientras más colorante le añadimos a un vaso de agua, más oscura y densa se volverá el agua, y es lo que la espectrofotometría permite conocer, la concentración de colorante que hay en la solución.
La técnica analítica que utilizan los astroquímicos es colocar la solución de concentración desconocida en un espectrofotómetro, este aparato medirá la absorbancia de la solución. La absorbancia es una medida de cuánta luz pasa a través del líquido, por lo tanto, si la absorbancia da un valor de 0000, significa que pasó todo el haz de luz y no hay nada que le absorbe. Por otro lado, si la absorbancia da un valor de 1111, significa que no pasa la luz a través de la solución, es decir, que es completamente opaca.
Esto se conoce también como la Ley de Bouguer – Lambert – Beer, curiosamente los tres científicos llegaron a la misma conclusión pero de forma diferente y además de manera independiente, uno del otro y en años diferentes 1729; 1760 y 1852 respectivamente.
Así llegaron a la expresión matemática de cómo la materia absorbe luz. La expresión es: A= – Ecd; donde A es la Absorbencia; ε el Coeficiente molar de extinción; d es el recorrido en centímetros y c la concentración molar. Por lo tanto, los astroquímicos pueden explorar diferentes partes de la estructura de un átomo o de una molécula utilizando diferentes tipos de espectroscopia y además estimar la concentración en soluciones desconocidas.
La radioastronomía también es utilizada por los astroquímicos como herramienta que permite localizar objetos celestes y fenómenos astrofísicos, utilizando para ello la emisión de radiación electromagnética en la región de radio del espectro. Es importante señalar que las ondas de radio, muestran una longitud de onda mayor que la de la luz visible.
Principales astroquímicos
Todas las personas que trabajan para la ciencia son importantes, cada uno de ellos aporta para el desarrollo de la humanidad y el conocimiento, por lo que en oportunidades resulta difícil tener que hablar solo de algunos.
Por ello, antes de nombrar a los astroquímicos que han sido reconocidos por los aportes extraordinarios que han tenido para con esta ciencia y por ende para el conocimiento del universo y estar un poco más cerca de conocer el origen de la vida, deseamos reconocer el trabajo de cada uno de los astroquímicos del mundo.
Es importante que sepamos que un astroquímico surge del conocimiento unificado de un astrónomo y un químico, por lo que siendo químico quizá es posible que sea suficiente conocer sobre la tabla periódica y siendo astrónomo quizá sea suficiente con observar las estrellas, siendo en extremos simplistas, para darnos a entender. Los astroquímicos deben observar las estrellas, estudiarlas, analizarlas y evaluarlas desde el punto de vista atómico y molecular. Por lo que es una labor que une ambas ciencias.
La Astroquímica es un trabajo difícil y amerita una continua actualización. Dentro de los astroquímicos que son reconocidos en el mundo de la investigación se encuentra Pierre Janssen, un astrónomo francés que en el año 1868 descubrió el helio, siendo un elemento químico que se encuentra en nuestro planeta Tierra, fue descubierto por Janssen en el Sol.
Podemos entonces decir que Pierre Janssen era un astroquímico sin saberlo, siendo este un buen punto de partida. Su descubrimiento lo hizo observando el espectro luminoso del sol, mientras ocurría un eclipse solar.
Anders Jonas Angstrom fue un físico y astrónomo sueco al que se le reconoce como el padre de la espectroscopia. Angstrom estudió física en la Universidad de Upsala. En 1842 siendo profesor de física se traslada al Observatorio de Estocolmo para aumentar sus conocimientos en el área de la astronomía. Es su desarrollo en la investigación de la conducción de calor y la espectroscopia, lo que lo hace reconocido en el mundo de la ciencia.
En la investigación que desarrolló sobre óptica, llamada Optiska Undersökningar y su deducción de la teoría de la resonancia de Leonhard Euler, que indica que un gas emite rayos luminosos con la misma longitud de onda que los que puede absorber, creó el principio fundamental del análisis del espectro luminoso. Para la época, su aporte no fue reconocido pero hoy en día damos un lugar de honor al padre de la espectroscopia.
El trabajo de Anders Jonas es el claro ejemplo de cómo una disciplina como la astrofísica puede ser aplicada a la astroquímica: La espectroscopia es una herramienta que puede ser y es utilizada en otros campos de la ciencia, estudia las relaciones que existen entre la radiación electromagnética de los cuerpos y las energías aplicadas sobre ellos por otros cuerpos celestes, así como sus niveles de radiación. Es por ello que para la Astroquímica es una herramienta imprescindible y el aporte de Andensor Jonas debe ser reconocido, en el mundo de esta ciencia.
Otro Astroquímico que ha realizado un trabajo destacado en el mundo de la astronomía es Takeshi Oka, químico y astrónomo de origen japonés, que descubrió el espectro del hidrógeno molecular protonado y por ello es considerado uno de los padres de la astroquímica.
Takeshi Oka nace en el año 1932 en la ciudad de Tokio, se graduó de químico y realizó su doctorado en astronomía en la Universidad de Tokio en 1960. Inicia su carrera profesional realizando Investigación en varios centros japoneses y canadienses. Es en el año 1981 que se presenta la oportunidad de formar parte de la Universidad de Chicago.
Inicia siendo profesor de las cátedras de química, astronomía y astrofísica. Utilizando la técnica de detección por modulación de frecuencia, logra descubrir el espectro que emite el Hidrógeno molecular protonado.
La importancia del descubrimiento de Takeshi Oka es que el ión del hidrógeno es fundamental en la composición química en fase gaseosa del medio interestelar; el desconocimiento del espectro del hidrógeno molecular hubiera sido un obstáculo difícil de sortear en los estudios del universo, porque el hidrógeno es fundamental para que se produzca la evolución química de los astros y otros cuerpos celestes.
Luego del descubrimiento del espectro del Hidrógeno, Takeshi Oka y Geballe Thomas, realizaron una búsqueda en el universo de la presencia de hidrógeno molecular, lográndolo en el año 1996 cuando buscaron en las nubes interestelares, utilizando como herramienta el telescopio infrarrojo UKIRT, del Observatorio Mauna Kea en Hawái, Estados Unidos.
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