Gli idrocarburi policiclici aromatici (Ipa) sono molecole organiche contenenti atomi di carbonio e idrogeno, da cui il nome di idrocarburi, arrangiati a formare una struttura ciclica che si ripete nella molecola due o più volte, motivo per cui sono definiti policiclici aromatici.
In basso all’interno dei riquadri, la struttura Ball and Stick di alcune delle molecole individuate nello studio, da destra a sinistra: l’1-cianonaftalene, l’1-ciano-ciclopentadiene, il cianopenta-acetilene, il 2-cianonaftalene, il vinilcianoacetilene, il 2-ciano-ciclopentadiene, il benzonitrile, Il Trans -(E)-cianovinilacetilene, l’isocianodiacetilene e il propargilcianide. Sullo sfondo un’illustrazione artistica della nube molecolare del Toro. Crediti: M. Weiss / Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian.
Qui sulla Terra alcuni membri di questa classe di composti si trovano in alimenti e farmaci, altri sono inquinanti prodotti dalla combustione incompleta di combustibili fossili, altri ancora sono agenti cancerogeni che si formano, ad esempio, quando le verdure e la carne vengono carbonizzate durante la cottura.
Ma vi sono Ipa anche nello spazio. E c’è una ipotesi sull’origine della vita, la cosiddetta ipotesi del mondo a Ipa, secondo la quale queste molecole sarebbero precursori per la sintesi abiotica di molecole di Rna, il materiale genetico utilizzato dalle prime forme di vita che costituivano l’ipotetico mondo a Rna.
Gli scienziati hanno sospettato la presenza nel cosmo di questi composti aromatici già dagli anni ’80. Diversi studi successivi ne hanno rilevato le tracce nell’atmosfera di alcuni pianeti e satelliti e nel mezzo interstellare, ma in quest’ultimo caso nessuno ha mai individuato fino a oggi quali fossero le specifiche molecole presenti. Fino ad oggi, appunto.
Ora un grosso studio condotto da un team internazionale di astronomi guidati dallo Harvard-Smithsonian Center For Astrophysics e dal Massachusetts Institute of Technology è riuscito a dare “nome e cognome” a queste molecole, provando definitivamente la loro esistenza nel mezzo interstellare.
Per cercare le sfuggenti molecole, il team di scienziati ha puntato la parabola da cento metri di diametro del Green Bank Telescope (Gbt) verso la Nube molecolare del Toro (o Nube del Toro-Auriga), in particolare verso una regione al suo interno chiamata Tmc-1 (Taurus Molecular Cloud 1): un enorme agglomerato di polveri e gas interstellare situato a circa 450 anni luce dalla Terra in direzione della costellazione del Toro – una “culla cosmica” dove presumibilmente nasceranno stelle e pianeti, ma che al momento è quiescente.
Le osservazioni sono avvenute nell’ambito della survey Gotham, acronimo di Green Bank Telescope observations Of Tmc-1: Hunting Aromatic molecules, un programma osservativo che mira a esplorare la chimica aromatica nel mezzo interstellare nelle prime fasi della formazione stellare rilevando le linee spettrali di queste e altre molecole. I risultati ottenuti analizzando i dati della seconda release della survey, riportati in nove paper pubblicati sulle pagine di diverse riviste scientifiche: The Astrophysical Journal Letters, Nature Astronomy, Science e The journal of Physical Chemistry A, forniscono la prova della presenza all’interno della nube molecolare di oltre una dozzina di molecole, tra le quali due idrocarburi policiclici aromatici mai identificati prima nel mezzo interstellare.
«Negli ultimi 30 anni circa, gli scienziati hanno osservato la firma di queste molecole nella nostra e in altre galassie nell’infrarosso, ma non siamo riusciti a vedere quali singole molecole costituissero quella massa», osserva Brett McGuire, scienziato del Massachusetts Institute of Technology e il project principal investigator di Gotham. «Con l’aggiunta della radioastronomia, invece di vedere questa grande massa indistinta, stiamo vedendo singole molecole».
«Abbiamo sempre pensato che gli idrocarburi policiclici aromatici si formassero principalmente nelle atmosfere di stelle morenti», aggiunge McGuire. «In questo studio, li abbiamo trovati in nubi scure e fredde dove le stelle non hanno nemmeno iniziato a formarsi».
Ma questa non è stata l’unica sorpresa che gli scienziati si sono trovati davanti risultati alla mano. «Quello che mostrano queste nuove osservazioni astronomiche è che non solo le molecole sono presenti nelle nubi molecolari, ma lo sono in quantità che sono ordini di grandezza superiori rispetto a quanto previsto dai modelli standard», spiega Michael McCarthy, astrochimico dello Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics e co-autore delle pubblicazioni.
I due idrocarburi policiclici aromatici in questione sono l’1-cianonaftalene e l’isomero 2-cianonaftalene(c-C11H7N), due molecolone costituite ciascuna da due anelli e un gruppo funzionale cianidrico, legato però in posizioni diverse.
Le altre molecole individuate sono l’1-ciano-1,3-ciclopentadiene e l’isomero 2-ciano-1,3-ciclopentadiene (c-C5H5CN) – ciano-derivati del ciclopentadiene (c-C5H6) – e il benzonitrile (c-C6H5CN), che sono però idrocarburi monociclici aromatici.
E ci sono anche molecole appartenenti alla classe degli idrocarburi lineari. Tra questi il cianopenta-acetilene (HC11N) e l’isocianodiacetilene (HC4NC), entrambi membri di un gruppo di composti chiamati cianopoliini, molecole che potrebbero essere state tra le prime sostanze organiche prodotte nell’universo, a partire dalle quali potrebbero essersi originate successivamente molecole più complesse. Il membro più semplice della famiglia, il cianoacetilene (H3CN), è in grado di formare la citosina, una delle basi azotate presenti nel Dna e nell’Rna. Il cianopenta-acetilene, uno dei due cianopoliino trovati nella nube, è il più grande cianopoliino mai scoperto nel mezzo interstellare.
Il vinilcianoacetilene (H2C=CHC3N), il trans-(E)-cianovinilacetilene (HCCCH=CCHCN) e il propargilcianide (HCCCH2CN), anch’essi idrocarburi lineari, sono altri componenti del cocktail. Tutte molecole di rilevante interesse per ricostruire l’origine della materia organica e della vita nell’universo.
«Sono tutte molecole grandi e complesse che è stato possibile rilevare grazie alle osservazioni con l’enorme parabola del Gbt e all’applicazione di un nuovo metodo che sfrutta la tecnica dello spectral line stacking», spiega a Media Inaf Giacomo Mulas, astrochimico dell’Inaf di Cagliari ed esperto in chimica computazionale non coinvolto nello studio, che abbiamo raggiunto per un commento. «Per quanto riguarda le molecole con un solo anello non si tratta di una prima osservazione. Quanto alle molecole a catena lineare, sebbene siano di grandi dimensioni, la loro presenza era prevedibile. Per gli idrocarburi policiclici aromatici, è invece la prima volta in assoluto che vengono rilevati nel mezzo interstellare. L’1-Cianonaftalene e il 2-cianonaftalene, in particolare, sono molecole che rispetto al naftalene – il più semplice degli Ipa – hanno una sostituzione di un gruppo CN al posto di un idrogeno. Sono quelle che si chiamano molecole funzionalizzate. Sulla Terra queste molecole sono spesso il prodotto collaterale di qualunque processo ad alta temperatura che vaporizzi carbone. Ma sono usate anche in campo tecnologico per la produzione di schermi di cellulari e televisori. Alcuni schermi Oled usano infatti gli idrocarburi policiclici aromatici funzionalizzati. I motivi sono due: sono molecole stabili e, aumentando il numero di anelli che li costituisce oppure il tipo di funzionalizzazione, emettono luce propria di colore diverso: la caratteristica degli schermi dotati di questa tecnologia».
«Nello spazio gli unici ambienti in cui si pensava potessero formarsi, perché ci sono le condizioni fisico-chimiche idonee, sono i venti delle stelle evolute ricche di carbonio», continua Mulas, «in cui sono state osservate le firme spettroscopiche infrarosse di questa famiglia di molecole, ma non quelle di specie individuali. Il fatto di aver osservato la loro firma in una nube quiescente vuol dire che o riescono ad arrivare fin lì senza essere distrutte, comprese le molecole più piccole e fragili, oppure c’è un modo con cui possono essere prodotte in maniera efficiente che ancora non abbiamo capito. C’è un articolo che ipotizza dei canali di formazione di Ipa in chimica fredda in ambiente ricco di molecole organiche, come queste viste in Tmc1, ma finora non c’erano osservazioni che li indicassero come molto rilevanti. Gli Ipa piccoli potrebbero anche formarsi nei residui carbonacei prodotti dal processamento di mantelli ghiacciati sulle polveri interstellari, ma allora non si capisce come possano essere rilasciati in quantità rilevanti in un ambiente così quiescente».
Quanto all’ipotesi del mondo a Ipa, che suppone il loro coinvolgimento come precursori pre-biotici, «si tratta di una ipotesi abbastanza controversa, al momento solo una speculazione: non ci sono ancora né elementi per scartarla né per accettarla», commenta il ricercatore. «Certo, questa osservazione è sicuramente qualcosa che può andare a favore di questa idea, ma siamo lontani dal poterla accettare come dimostrata. Possiamo sicuramente dire che è possibile, forse plausibile, ma per ora è solo una speculazione. Di sicuro ci sono altre cose che questa classe di molecole può aver fatto per facilitare eventualmente l’emergere della vita. Di Ipa se ne osservano nelle atmosfere di alcuni pianeti e satelliti del Sistema solare. Ed è abbastanza plausibile che possano essere un componente importante dell’atmosfera primordiale di un pianeta, in qualche misura anche della Terra. Per questo motivo c’è chi ipotizza che queste molecole, efficientissimi assorbitori nell’ultravioletto, possano avere svolto in passato il compito che oggi svolge l’ozono, assente nell’atmosfera primordiale, proteggendo le prime forme di vita dal bombardamento ultravioletto».
McGuire e gli altri scienziati del progetto Gotham hanno iniziato a dare la caccia alle molecole in questione dopo la scoperta del benzonitrile nel mezzo interstellare della Via Lattea nel 2018: la miccia che li ha spinti a chiedersi quali altre molecole, a parte le oltre 200 già catalogate ci fossero là fuori.
«Ci siamo imbattuti in un insieme completamente nuovo di molecole diverse da qualsiasi cosa mai rilevata in precedenza. Questo cambierà completamente la nostra comprensione di come queste molecole interagiscono tra loro e avrà ha implicazioni a valle», pronostica McGuire, aggiungendo che alla fine queste molecole si aggregheranno diventando abbastanza grandi da costituire i semi della polvere interstellare.
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal Letters i pre-print degli articoli:
- “Detection of Interstellar HC4NC and an Investigation of Isocyanopolyyne Chemistry under TMC-1 Conditions” di C. Xue et al.
- “Early Science from GOTHAM: Project Overview, Methods, and the Detection of Interstellar Propargyl Cyanide (HCCCH2CN) in TMC-1” di B. McGuire et al.
- “Discovery of Interstellar Trans-cyanovinylacetylene (HCCCH=CCHCN) and Vinylcyanoacetylene (H2C=CHC3N) in GOTHAM Observations of TMC-1” di K. Lee et al.
- “Interstellar detection of 2-cyanocyclopentadiene, C5H5N, a second ve-membered ring toward TMC-1” di K. Lee et al.
- Leggi su Nature Astronomy i pre-print degli articoli:
- “An investigation of spectral line stacking techniques and application to the detection of HC11N” di R. Loomis et al.
- “Ubiquitous aromatic carbon chemistry at the earliest stages of star formation” di A.M. Burkhardt et al.
- “Interstellar detection of the highly polar ve-membered ring cyanocyclopentadiene” di ” M. McCarthy et al.
- leggi su Science l’articolo “Detection of two interstellar polycyclic aromatic hydrocarbons via spectral matched ltering”, di McGuire et al.
- Leggi su The Journal of Physical Chemistry A il pre-print dell’articolo “Aromatics and Cyclic Molecules in Molecular Clouds: A New Dimension of Interstellar Organic Chemistry”, di McCarthy & McGuire