Scoperta, in una nube a 430 anni luce, la fonte cosmica del carbonio: si chiama benzonitrile!
La scoperta di un composto chimico chiamato benzonitrile in una lontana nube di gas molecolare aiuta a spiegare da dove i pianeti come la Terra prendano i semi della vita.
Circa il 18 per cento del peso del corpo umano è costituito da carbonio. Questo elemento semplice è considerato la spina dorsale della vita, ed è anche abbondante nelle rocce, nell’atmosfera e negli oceani della Terra. Gli scienziati non sanno come il carbonio sia apparso per la prima volta sul nostro pianeta, ma ora gli astronomi hanno scoperto nello spazio una molecola speciale che potrebbe aiutare a tracciare questo elemento essenziale fino alla sua fonte.
Stelle in formazione nella nube molecolare del Toro. (ESAHerschelPACS, SPIREGould Belt survey Key ProgrammePalmeirim e altri 2013)
Usando il Green Bank Telescope, in West Virginia, alcuni ricercatori hanno identificato la firma della molecola benzonitrile (C6H5CN) in una massa di gas e polveri a 430 anni luce dalla Terra, la nube molecolare 1 del Toro. Il cuore del benzonitrile è un esagono a sei atomi di carbonio chiamato benzene, una struttura che pone il composto nella classe delle molecole “aromatiche” e fa del benzonitrile un elemento costitutivo del gruppo dei cosiddetti idrocarburi policiclici aromatici (PAH), che contengono molti esagoni di carbonio. Gli scienziati pensano che i PAH siano incredibilmente comuni nell’universo, eppure gli astronomi non hanno identificato alcuna molecola del genere nello spazio. Questa nuova osservazione è la più vicina a cui sono giunti.
“Questo studio mostra i primi passi dei PAH, i primi anelli di benzene”, dice Xander Tielens, astrochimico all’Università di Leiden, nei Paesi Bassi, che non è stato coinvolto nella ricerca. “Questi anelli possono poi crescere generando specie chimiche sempre più grandi. Capire da dove provengono queste molecole e quale ruolo hanno nell’inventario dello spazio è un obiettivo chiave dell’astronomia”. I risultati sono stati pubblicati su “Science” e presentati in un convegno dell’American Astronomical Society a Washington, DC.
Lo studio potrebbe rappresentare un passo in avanti per spiegare da dove hanno ricevuto il loro carbonio i pianeti come la Terra. L’elemento è generato nei nuclei di stelle, dove è un prodotto della fusione nucleare. Ma quando le stelle muoiono ed espellono i loro materiali nello spazio, che cosa succede al carbonio? Gli scienziati pensano che la frazione più grande, compresa tra 10 e 20 per cento, sia costituita da PAH, che possono formarsi quando un gas caldo contenente carbonio si raffredda. Alla fine, questi PAH trovano la strada verso i dischi protoplanetari intorno alle stelle, da cui nascono pianeti e asteroidi? “Questo è il primo passo per iniziare a rispondere a queste domande”, dice Ryan Fortenberry, astrochimico alla Georgia Southern University, che non ha preso parte allo studio. “Serve carbonio per creare i pianeti, generare la vita, fare una chimica interessante. Abbiamo questa ipotesi sull’origine del carbonio, ma non abbiamo avuto modo di confermarla. Il benzonitrile ci permette di iniziare a guardare nei posti giusti.”
Se i PAH contengono gli ingredienti per i semi della vita, sono anche il suo nemico. Queste molecole sono cancerogene e sulla Terra si trovano comunemente nei gas di scarico delle automobili e nelle emissioni delle ciminiere. La ragione per cui sono così cattivi per la nostra salute è che sono difficili da rompere, il loro anello centrale di carbonio è estremamente stabile e resistente alle reazioni, rendendoli difficilmente degradabili nel nostro corpo. Ma questa stabilità significa anche che possono restare esposti per lunghi periodi al difficile ambiente dello spazio, venendo rotti solo occasionalmente da fotoni ad altissima energia.
Gli astronomi hanno visto impronte spettroscopiche generiche che suggeriscono che alcuni tipi di PAH siano abbondanti sia nella nostra galassia sia in altre. Eppure, le singole molecole di PAH sono molto difficili da distinguere e i ricercatori non sono mai stati in grado di determinare quali siano esattamente quelle presenti.
Per individuare il benzonitrile, gli astronomi diretti dal chimico Brett McGuire, del National Radio Astronomy Observatory della Virginia, hanno osservato la nube del Toro per più di 35 ore complessivamente, raccogliendo tutta la luce in un unico insieme di dati che finalmente ha mostrato la firma molecolare. Ogni specie chimica emette o assorbe luce a lunghezze d’onda caratteristiche, che dipendono dalla sua precisa configurazione. Il benzonitrile ha rivelato la sua presenza grazie all’emissione di fotoni nella gamma radio dello spettro elettromagnetico mentre si rotolava su se stessa nello spazio. “La ripartizione della massa nella molecola e la posizione degli atomi influiscono sulla velocità di rotazione di una molecola. E quando la molecola perde o acquista momento angolare, emette luce”, dice McGuire.
I ricercatori sono stati in grado di identificare il benzonitrile perché è asimmetrico: da un vertice del suo esagono di carbonio pende una coppia carbonio-azoto. Questa caratteristica facilita la ricerca rispetto ai PAH completi. Questi ultimi tendono a essere simmetrici, per cui la loro forma non cambia quando ruotano, e dunque non emettono uno schema di luce riconoscibile. Il gruppo spera di usare la stessa tecnica per identificare quanto prima il benzonitrile in altri punti del cosmo. “Avendolo osservato per la prima volta in quella fonte, ora sappiamo che c’è là fuori, e abbiamo delle idee su altri luoghi in cui possiamo cercarlo.”
(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su Scientific American l’11 gennaio 2018)
Di: Clara Moskowitz/Scientific American
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