Se encuentra por primera vez oxígeno molecular en un cometa
La nave Rosetta de la ESA ha detectado in situ por primera vez moléculas de oxígeno liberándose en forma de gas desde un cometa, una observación sorprendente que sugiere que éstas se incorporaron al cometa durante su formación.
Rosetta lleva más de un año estudiando el cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko y ha detectado que un abundante número de gases diferentes emanan de su núcleo. Vapor de agua, monóxido de carbono y dióxido de carbono son los más abundantes, aunque también se registra una amplia selección de otras especies que contienen nitrógeno, sulfuro y carbono, —e incluso “gases nobles”—.
El oxígeno es el tercer elemento más abundante del universo, pero la versión molecular más simple del gas, el O2, ha demostrado ser sorprendentemente difícil de localizar, incluso en las nebulosas en las que tienen lugar procesos de formación estelar, ya que es extremadamente reactivo y se fragmenta fácilmente para unirse a otros átomos y moléculas.
Los átomos de oxígeno pueden combinarse, por ejemplo, con átomos de hidrógeno en partículas de polvo frías para formar agua; o un oxígeno libre procedente de una ruptura de O2 por radiación ultravioleta puede recombinarse con una molécula de O2 para formar ozono (O3).
A pesar de que fue detectado en las lunas congeladas de Júpiter y Saturno, el O2 ha sido el elemento ausente del inventario de especies volátiles asociadas a los cometas hasta el momento.
“La verdad es que no esperábamos detectar O2 en el cometa —ni en una cantidad tan abundante—, porque es muy reactivo químicamente, así que ha sido toda una sorpresa”, afirma Kathrin Altwegg de la Universidad de Berna, investigadora principal del Espectrómetro del Orbitador Rosetta para el Análisis de Iones y Partículas Neutras (ROSINA).
“También resulta inesperado debido a que no existen muchos casos en los que se haya detectado O2 interestelar. Por ello, aunque debió incorporarse al cometa durante su formación, no puede hallarse una explicación sencilla a partir de los modelos actuales de formación del Sistema Solar.”
El equipo analizó más de 3000 muestras recogidas alrededor del cometa entre septiembre de 2014 y marzo de 2015 para identificar el O2. En ellas se mostraba una existencia de 1–10% relativo al H2O, con un valor medio de 3,80 ± 0,85%, un orden de magnitud más elevado de lo establecido en los modelos que describen la química de las nubes moleculares.
La cantidad de oxígeno molecular detectado presentó un estrecho vínculo con la cantidad de agua medida en cualquier momento dado, lo que sugiere que su origen en el núcleo y su mecanismo de liberación guardan relación. En cambio, la cantidad de O2 detectada estaba poco relacionada con el monóxido de carbono y el nitrógeno molecular, a pesar de que su volatilidad es similar a la del O2. Asimismo, tampoco se detectó ozono.
Durante el periodo de seis meses de estudio, Rosetta se dirigió en dirección al sol siguiendo su órbita y orbitando a una distancia de entre 10-30 km del núcleo. A pesar de que la distancia con el Sol iba disminuyendo, el ratio O2/H2O permaneció constante todo el tiempo y tampoco cambió con la longitud o latitud de Rosetta sobre el cometa.
De forma más detallada, el ratio O2/H2O se vio disminuido en presencia de cantidades muy abundantes de H2O, una observación que puede estar influenciada por el agua congelada de la superficie detectada en el proceso diario de sublimación-condensación.
El equipo exploró posibilidades que expliquen la presencia y abundancia continuamente elevada de O2 y su relación con el agua, así como la falta de ozono, considerando en un principio la fotólisis y radiólisis del hielo sobre una serie de escalas de tiempo.
En la fotólisis, los fotones rompen las uniones entre moléculas, mientras que la radiólisis implica fotones más energéticos o electrones e iones más rápidos que aportan energía al hielo y a las moléculas ionizadas —un proceso que se observa en las lunas heladas del Sistema Solar exterior y en los anillos de Saturno—. Ambos procesos pueden, en principio, conducir a la formación y liberación de oxígeno molecular.
La radiólisis habría actuado durante los miles de millones de años en los que el cometa ha estado ubicado en el Cinturón de Kuiper y habría ayudado a incrementar el O2 a varios metros de profundidad. En cambio, estas capas superiores habrían sido eliminadas con el tiempo debido al desplazamiento del comenta en su órbita en el Sistema Solar, descartando este fenómeno como el origen del O2 que encontramos en el presente.
Un proceso de generación de O2 más reciente vía radiólisis y fotólisis mediante partículas de viento solar y fotones UVA podría haber tenido lugar en los micrómetros superiores del cometa.
“Pero si esta fuera la fuente principal de O2 habría cabido esperar ver una disminución del ratio O2/H2O con la eliminación de esta capa durante el lapso de seis meses de nuestras observaciones”, declara Andre Bieler de la Universidad de Michigan y autor líder del artículo que describe los nuevos resultados en el número de la revista Nature de esta semana.
“La generación instantánea de O2 también parece poco probable, ya que produciría ratios de O2 variables según las diferentes condiciones de iluminación. Por el contrario, resulta más probable que el O2 principal fuera incorporado de alguna manera a los hielos del cometa durante su formación y esté siendo liberado en forma de vapor de agua en el presente”.
En un escenario dado, el O2 gaseoso sería incorporado por primer a vez al hielo durante la fase temprana de la nebulosa protosolar de nuestro Sistema Solar. Los modelos químicos de los discos protoplanetarios predicen que quedaría una cantidad abundante de O2 gaseoso disponible en la zona de formación del cometa, pero sería necesario un enfriamiento rápido a temperaturas entre los –173º C mínimo y los –243º C máximo para formar hielo con O2 atrapados en partículas de polvo. Las partículas tendrían que incorporarse posteriormente al cometa sin sufrir ninguna alteración química.
“Otras posibilidades incluyen que el Sistema Solar haya sido originado en una parte inusualmente cálida de una densa nube molecular, a temperaturas situadas a unos 10-20º C por encima de los–263º C que se esperaría de dichas nubes,” afirma Ewine van Dishoeck del Observatorio de Leiden (Países Bajos), coautor de la publicación.
“Esto sigue siendo coherente con las estimaciones de las condiciones de formación del cometa en la nebulosa solar exterior y también con hallazgos anteriores del cometa de Rosetta en relación a la reducida cantidad de N2.
Otra posibilidad es que la radiólisis de partículas de polvo helado podría haberse producido antes de la formación del cometa en un cuerpo más grande. En este caso, el O2 habría quedado retenido en los huecos de hielo de las partículas mientras el hidrógeno se disolvía, evitando transformar el O2 en agua y dando como resultado un aumento y estabilización del nivel de O2 en el hielo.
La incorporación de tales partículas de hielo en el núcleo explicaría la estrecha relación con el H2O que observamos actualmente en el cometa.
“Independientemente de cómo se formase, el O2 también fue protegido de algún modo durante la fase de formación del cometa. Esto debió producirse de manera gradual para evitar que el O2 disminuyera a causa de otras reacciones químicas”, añade Kathrin.
“Este resultado provoca fascinación dentro y fuera de la comunidad de los cometas y puede tener consecuencias en nuestros modelos de evolución del Sistema Solar”, declara Matt Taylor, Jefe científico de la misión Rosetta de la ESA.
Nota a los editores
“Abundant molecular oxygen in the coma of 67P/Churyumov–Gerasimenko,” de A. Bieler et al, publicado en el número del 29 de octubre de 2015 de la revista Nature.
Para más información:
Markus Bauer
ESA Science and Robotic Exploration Communication Officer
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Kathrin Altwegg
Principal investigator for ROSINA
University of Bern, Switzerland
Email: kathrin.altwegg@space.unibe.ch
Andre Bieler
University of Michigan
Email: abieler@umich.edu
Ewine van Dishoeck
Leiden Observatory, University of Leiden, the Netherlands
Email: ewine@strw.leidenuniv.nl
Matt Taylor
ESA Rosetta Project Scientist
Email: matt.taylor@esa.int
