Un ingeniero químico de Caltech que normalmente desarrolla nuevas formas de fabricar microprocesadores en computadoras ha descubierto cómo explicar un persistente misterio en el espacio — por qué los cometas expulsan gas de oxígeno, el mismo gas que los humanos respiramos.
Konstantinos Giapis de Caltech ha demostrado cómo el oxígeno molecular se puede producir en la superficie de cometas usando experimentos de laboratorio. Él y su erudito posdoctoral Yunxi Yao encendieron las moléculas de alta velocidad del agua en las superficies oxidadas del silicio y del hierro y observaron la producción de un penacho que incluyó el oxígeno molecular. Giapis dice que existen condiciones similares en el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, donde la misión Rosetta de la Agencia Espacial Europea detectó oxígeno molecular. Crédito: Caltech
El descubrimiento de que los cometas producen gas de oxígeno — también conocido como oxígeno molecular o O2 — fue anunciado en 2015 por investigadores que estudiaban el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko con la nave espacial Rosetta de la Agencia Europea del espacio. La misión inesperadamente encontró niveles abundantes de oxígeno molecular en la atmósfera del cometa. El oxígeno molecular en el espacio es altamente inestable, pues el oxígeno prefiere emparejar con hidrógeno para hacer el agua, o el carbón para hacer el dióxido de carbono. De hecho, el O2 sólo se ha detectado dos veces antes en el espacio en las nebulosas formadoras de estrellas.
Los científicos han propuesto que el oxígeno molecular en el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko pudo haber descongelado de su superficie después de haber sido congelado dentro del cometa desde el amanecer del sistema solar hace 4.600.000.000 años. Pero las preguntas persisten porque algunos científicos dicen que el oxígeno debería haber reaccionado con otros químicos durante todo ese tiempo.
Un profesor de ingeniería química en Caltech, Konstantinos P. Giapis, comenzó a mirar los datos de Rosetta porque las reacciones químicas que ocurrían en la superficie del cometa eran similares a las que ha estado realizando en el laboratorio durante los últimos 20 años. Giapis estudia las reacciones químicas que implican los átomos cargados de alta velocidad, o los iones, chocando con las superficies del semiconductor como medios de crear virutas más rápidas de la computadora y memorias digitales más grandes para las computadoras y los teléfonos.
"Comencé a interesarme por el espacio y estaba buscando lugares donde los iones fueran acelerados contra las superficies", dice Giapis. "después de ver las mediciones hechas en el cometa de Rosetta, en particular con respecto a las energías de las moléculas de agua golpeando el cometa, todo hizo clic." "Lo que he estado estudiando durante años está sucediendo aquí mismo en este cometa".
En un nuevo estudio de Nature Communications, Giapis y su coautor, erudito postdoctoral Yunxi Yao, demuestran en el laboratorio cómo el cometa podría estar produciendo oxígeno. Básicamente, las moléculas de vapor de agua fluyen del cometa mientras el cuerpo cósmico es calentado por el sol. Las moléculas de agua se ionizan, o se cargan, por la luz ultravioleta del sol, y entonces el viento del sol sopla las moléculas de agua ionizadas de nuevo hacia el cometa. Cuando las moléculas de agua golpean la superficie del cometa, que contiene el oxígeno atado en materiales tales como moho y arena, las moléculas cogen otro átomo de oxígeno de estas superficies y se forma O2.
En otras palabras, la nueva investigación implica que el oxígeno molecular encontrado por Rosetta no necesita ser primordial después de todo, pero puede ser producido en tiempo real en el cometa.
"Hemos demostrado experimentalmente que es posible formar oxígeno molecular dinámicamente sobre la superficie de materiales similares a los encontrados en el cometa", dice Yao.
"No teníamos idea cuando construimos nuestras configuraciones de laboratorio que terminarían aplicándose a la astrofísica de cometas", dice Giapis. "Este mecanismo original de la química se basa en la clase raramente-considerada de las reacciones de Eley, que ocurren cuando las moléculas rápidas-que se mueven, agua en este caso, chocan con las superficies y los átomos del extracto que residen allí, formando nuevas moléculas." Todas las condiciones necesarias para tales reacciones existen en el cometa 67P.
Otros cuerpos astrofísicos, tales como planetas más allá de nuestro sistema solar, o exoplanetas, también podrían producir oxígeno molecular con un mecanismo "abiótico" similar, sin la necesidad de vida. Esto puede influir en cómo los investigadores buscan signos de vida en los exoplanetas en el futuro.
"El oxígeno es una molécula importante, que es muy elusiva en el espacio interestelar", dice el astrónomo Paul Goldsmith de JPL, que es administrado por Caltech para la NASA. Goldsmith es el científico del proyecto NASA para la misión Herschel de la Agencia Espacial Europea, que hizo la primera detección confirmada de oxígeno molecular en el espacio en el 2011. "Este mecanismo de producción estudiado en el laboratorio del profesor Giapis podría estar operando en una amplia gama de ambientes y muestra la importante conexión entre estudios de laboratorio y astroquímica".
El documento de Nature Communications se titula "producción dinámica de oxígeno molecular en comas cometarios" (Dynamic molecular oxygen production in cometary comae).