A descoberta de derivados de pireno numa nuvem interestelar distante pode ajudar a revelar como o nosso próprio sistema solar se formou.
Uma equipe liderada por pesquisadores do MIT descobriu que uma nuvem interestelar distante contém uma abundância de pireno, um tipo de molécula grande que contém carbono, conhecida como hidrocarboneto aromático policíclico (PAH).
A descoberta do pireno nesta nuvem distante, que é semelhante à coleção de poeira e gás que eventualmente se tornou o nosso próprio sistema solar, sugere que o pireno pode ter sido a fonte de grande parte do carbono no nosso sistema solar. Essa hipótese também é apoiada por uma descoberta recente de que amostras trazidas do asteroide próximo da Terra Ryugu contêm grandes quantidades de pireno.
“Uma das grandes questões na formação de estrelas e planetas é: quanto do inventário químico daquela nuvem molecular inicial é herdado e forma os componentes básicos do sistema solar? O que estamos vendo é o início e o fim, e eles estão mostrando a mesma coisa. Isso é uma evidência bastante forte de que esse material da nuvem molecular inicial chega ao gelo, à poeira e aos corpos rochosos que compõem nosso sistema solar”, diz Brett McGuire, professor assistente de química na Universidade. MIT.
Devido à sua simetria, o próprio pireno é invisível para as técnicas de radioastronomia que têm sido usadas para detectar cerca de 95% das moléculas no espaço. Em vez disso, os investigadores detectaram um isómero de cianopireno, uma versão do pireno que reagiu com o cianeto para quebrar a sua simetria. A molécula foi detectada em uma nuvem distante conhecida como TMC-1, usando o Green Bank Telescope (GBT) de 100 metros, um radiotelescópio do Observatório Green Bank, na Virgínia Ocidental.
McGuire e Ilsa Cooke, professora assistente de química na Universidade da Colômbia Britânica, são os autores seniores de um artigo que descreve as descobertas, que aparece hoje no Ciência . Gabi Wenzel, pós-doutoranda do MIT no grupo de McGuire, é a principal autora do estudo.
Carbono no espaço
Acredita-se que os PAHs, que contêm anéis de átomos de carbono fundidos, armazenam de 10 a 25% do carbono que existe no espaço. Há mais de 40 anos, cientistas que utilizaram telescópios infravermelhos começaram a detectar características que se pensa pertencerem aos modos vibracionais dos PAH no espaço, mas esta técnica não conseguiu revelar exactamente que tipos de PAH existiam.
“Desde que a hipótese dos PAH foi desenvolvida na década de 1980, muitas pessoas aceitaram que os PAHs estão no espaço e foram encontrados em meteoritos, cometas e amostras de asteróides, mas não podemos realmente usar a espectroscopia infravermelha para identificar inequivocamente PAHs individuais em espaço”, diz Wenzel.
Em 2018, uma equipe liderada por McGuire relatou a descoberta de benzonitrila – um anel de seis carbonos ligado a um grupo nitrila (carbono-nitrogênio) – no TMC-1. Para fazer esta descoberta, usaram o GBT, que pode detectar moléculas no espaço através dos seus espectros rotacionais – padrões distintos de luz que as moléculas emitem à medida que percorrem o espaço. Em 2021, a sua equipa detectou os primeiros PAHs individuais no espaço: dois isómeros de cianonaftaleno, que consistem em dois anéis fundidos, com um grupo nitrilo ligado a um anel.
Na Terra, os PAHs comumente ocorrem como subprodutos da queima de combustíveis fósseis e também são encontrados em marcas de carvão em alimentos grelhados. A sua descoberta no TMC-1, que tem apenas cerca de 10 Kelvin, sugeriu que também pode ser possível que se formem a temperaturas muito baixas.
O facto de os PAH também terem sido encontrados em meteoritos, asteróides e cometas levou muitos cientistas a levantar a hipótese de que os PAH são a fonte de grande parte do carbono que formou o nosso próprio sistema solar. Em 2023, investigadores no Japão encontraram grandes quantidades de pireno em amostras trazidas do asteróide Ryugu durante a missão Hayabusa2, juntamente com PAHs mais pequenos, incluindo naftaleno.
Essa descoberta motivou McGuire e seus colegas a procurarem pireno no TMC-1. O pireno, que contém quatro anéis, é maior do que qualquer outro PAH detectado no espaço. Na verdade, é a terceira maior molécula identificada no espaço e a maior já detectada pela radioastronomia.
Antes de procurar essas moléculas no espaço, os pesquisadores primeiro tiveram que sintetizar o cianopireno em laboratório. O grupo ciano ou nitrila é necessário para que a molécula emita um sinal que um radiotelescópio possa detectar. A síntese foi realizada pelo pós-doutorado do MIT, Shuo Zhang, no grupo de Alison Wendlandt, professora associada de química do MIT.
Em seguida, os pesquisadores analisaram os sinais que as moléculas emitem em laboratório, que são exatamente iguais aos sinais que elas emitem no espaço.
Usando o GBT, os pesquisadores encontraram essas assinaturas em todo o TMC-1. Eles também descobriram que o cianopireno representa cerca de 0,1% de todo o carbono encontrado na nuvem, o que parece pequeno, mas é significativo quando se consideram os milhares de tipos diferentes de moléculas contendo carbono que existem no espaço, diz McGuire.
“Embora 0,1 por cento não pareça um número grande, a maior parte do carbono está presa no monóxido de carbono (CO), a segunda molécula mais abundante no universo depois do hidrogênio molecular. Se deixarmos o CO de lado, um em cada centenas ou mais os átomos de carbono restantes estão no pireno. Imagine as milhares de moléculas diferentes que existem por aí, quase todas elas com muitos átomos de carbono diferentes, e uma em algumas centenas está no pireno”, diz ele. “Essa é uma abundância absolutamente enorme. Um sumidouro de carbono quase inacreditável. É uma ilha interestelar de estabilidade.”
Ewine van Dishoeck, professora de astrofísica molecular no Observatório de Leiden, na Holanda, chamou a descoberta de “inesperada e emocionante”.
“Ele se baseia em suas descobertas anteriores de moléculas aromáticas menores, mas dar o salto agora para a família dos pirenos é enorme. Isso não apenas demonstra que uma fração significativa de carbono está presa nessas moléculas, mas também aponta para diferentes formações rotas de aromáticos que foram consideradas até agora”, diz van Dishoeck, que não esteve envolvido na pesquisa.
Uma abundância de pireno
Nuvens interestelares como a TMC-1 podem eventualmente dar origem a estrelas, à medida que aglomerados de poeira e gás se aglutinam em corpos maiores e começam a aquecer. Planetas, asteroides e cometas surgem de alguns gases e poeiras que circundam estrelas jovens. Os cientistas não podem olhar para trás no tempo, para a nuvem interestelar que deu origem ao nosso próprio sistema solar, mas a descoberta do pireno no TMC-1, juntamente com a presença de grandes quantidades de pireno no asteróide Ryugu, sugere que o pireno pode ter tem sido a fonte de grande parte do carbono do nosso próprio sistema solar.
“Temos agora, atrevo-me a dizer, a evidência mais forte de sempre desta herança molecular direta desde a nuvem fria até às rochas reais do sistema solar”, diz McGuire.
Os pesquisadores planejam agora procurar moléculas de PAH ainda maiores no TMC-1. Eles também esperam investigar se o pireno encontrado no TMC-1 foi formado dentro da nuvem fria ou se veio de algum outro lugar do universo, possivelmente a partir dos processos de combustão de alta energia que cercam as estrelas moribundas.
