Cómo los radiotelescopios rastrean el origen de las estrellas a través de moléculas cósmicas

Puesto que los astrónomos no podemos reproducir en el laboratorio las señales que emiten sus moléculas de las regiones donde nacen las estrellas, lo debemos hacer de forma indirecta. Para eso, nada mejor que los radiotelescopios, como por ejemplo ALMA, ubicado en Atacama, Chile.

La mejor herramienta que tenemos para hacerlo es mediante la luz, pero no solamente la que vemos con nuestros ojitos, sino la de otros tipos, como las ondas de radio, en particular las de frecuencia milimétrica y submilimétrica, ya que ésta es emitida por el gas y el polvo.

Miles de espectros se convierten en mapas y en cada píxel se ajustan las líneas moleculares y estiman propiedades como temperatura rotacional y densidad de columna, una medida relacionada con cuántas moléculas se encuentran a lo largo de nuestra línea de visión.

Olivia H. Wilkins y su equipo aplicaron esta técnica para estudiar Orion Kleinmann–Low (Orion KL), una compleja región de formación de estrellas masivas situada a unos 400 parsecs de la Tierra (~1,300 años luz). Su objetivo principal no era descubrir una molécula nueva, sino comprobar si estos mapas químicos nos dan resultados reproducibles.

Termómetros cósmicos

Las nubes moleculares comienzan con temperaturas extremadamente bajas y densidades diminutas comparadas con las de la atmósfera terrestre. A medida que el gas colapsa y aparecen protoestrellas, el entorno se calienta y comprime, modificando las reacciones químicas que ocurren sobre el polvo y el gas.

La intensidad de las transiciones depende de la población de sus niveles energéticos, que a su vez responde a las condiciones físicas del entorno. Comparando diferentes líneas, podemos inferir temperaturas sin colocar ningún termómetro dentro de la nube.

El metanol (CH₃OH), resulta especialmente útil ya que es una molécula orgánica relativamente sencilla que se forma principalmente sobre regiones frías que cubren a los granos de polvo interestelar. Cuando el entorno se calienta, parte del metanol puede pasar al estado gaseoso, donde sus emisiones de radio pueden ser detectadas y cartografiadas.

El nuevo estudio se centra en isotopos de estas moléculas, como ¹³CH₃OH, que contiene carbono-13, y CH₃OD, una forma de "metanol deuterado". Al comparar su distribución permite seguir procesos químicos diferentes y estudiar cómo la temperatura y la composición cambian en la nebulosa de Orion KL.

ALMA pone a prueba sus propios mapas químicos

En vez de asignar una sola temperatura o abundancia, los mapas muestran cómo esas propiedades cambian punto por punto. Así aparecen regiones químicamente distintas que quedarían diluidas si únicamente se analizara un espectro promedio.

Para el metanol, se compararon observaciones de ALMA, tomadas en diferentes momentos y utilizando distintas transiciones rotacionales. Los nuevos mapas de temperatura y densidad de columna resultaron muy consistentes con los anteriores, especialmente en Hot Core-SW y en la llamada Compact Ridge de Orion KL.

En Hot Core-SW, la densidad de columna alcanzó aproximadamente 1.2 × 10¹⁷ moléculas por centímetro cuadrado. Las temperaturas coincidieron muy bien entre ambos conjuntos de datos observacionales, una señal importante de que el procedimiento conserva estructuras físicas reales dentro de la nebulosa.

Para el metanol "deuerado", las nuevas observaciones produjeron una densidad de columna máxima cercana a 1.0 × 10¹⁷ moléculas por centímetro cuadrado, varios factores menor que la estimada anteriormente. Una diferencia atribuida a una mejora a la hora de analizar los datos.

La química podría delatar estrellas escondidas

A pesar de las discrepancias, la distribución relativa entre ambas formas de metanol conservó tendencias semejantes, lo que sugiere que el patrón químico no es simplemente un artefacto provocado por un conjunto particular de observaciones o por el método de análisis.

Este detalle importa porque investigaciones anteriores ya habían señalado que la abundancia anómala de metanol deuterado podría estar vinculada con la evolución térmica de los hielos interestelares.

Wilkins ha propuesto anteriormente que ciertas anomalías químicas en Hot Core-SW son compatibles con una fuente interna, posiblemente una protoestrella aún profundamente enterrada. No constituye una detección directa, pero muestra cómo la química puede orientar las nuevas observaciones.

El resultado principal no es sólo un mapa más detallado de Orion KL, sino que demuestra que ajustar espectros píxel por píxel puede producir buenos resultados para comparar química a un gran nivel de detalle. Lo que abre una vía para estudiar cómo se organizan químicamente las regiones donde están naciendo estrellas.