Una impresión artística del Observatorio Espacial Herschel con sus observaciones de la formación de estrellas en la Nebulosa Rosette en el fondo.
(Imagen: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, escritor y editor de The Kavli Foundation, contribuyó con este artículo a Expert Voices: Op-Ed & Insights de Space.com.
Desde viajes de campamento fortuitos hasta forjar un consenso internacional sobre observatorios de gran presupuesto, la galardonada con el Premio Kavli 2018 discute su viaje personal y profesional en el campo de la astroquímica.
NO TODO EL ESPACIO ES TAL LUGAR BARREN. Las galaxias están llenas de nubes polvorientas que contienen ricos guisos de moléculas, que van desde el simple hidrógeno gaseoso hasta las sustancias orgánicas complejas críticas para el desarrollo de la vida. Entender cómo todos estos ingredientes cósmicos se entremezclan en la formación de estrellas y planetas ha sido el trabajo de la vida de Ewine van Dishoeck.
Como químico entrenado, Van Dishoeck pronto volvió sus ojos hacia el cosmos. Fue pionera en muchos avances en el campo emergente de la astroquímica, aprovechando los últimos telescopios para revelar y describir el contenido de vastas nubes portadoras de estrellas. Paralelamente, van Dishoeck realizó experimentos de laboratorio y cálculos cuánticos en tierra firme para comprender la descomposición de las moléculas cósmicas por la luz de las estrellas, así como las condiciones bajo las cuales las nuevas moléculas se apilan como ladrillos Lego. [8 misterios desconcertantes de la astronomía]
"Por sus contribuciones combinadas a la astroquímica observacional, teórica y de laboratorio, aclarando el ciclo de vida de las nubes interestelares y la formación de estrellas y planetas", van Dishoeck recibió el Premio Kavli de Astrofísica 2018. Ella es solo la segunda ganadora en cualquier campo en haber sido distinguida como única receptora del premio a lo largo de su historia.
Para obtener más información sobre su innovadora carrera en astroquímica y lo que sigue para el campo, la Fundación Kavli habló con van Dishoeck desde su oficina en el Observatorio Leiden de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, justo antes de asistir a una barbacoa para el personal. Van Dishoeck es profesor de astrofísica molecular y presidente electo de la Unión Astronómica Internacional (IAU).
La siguiente es una transcripción editada de la mesa redonda. Van Dishoeck ha tenido la oportunidad de enmendar o editar sus comentarios.
LA FUNDACIÓN KAVLI: ¿Qué nos dice la astroquímica sobre nosotros y el universo en el que vivimos?
EWINE VAN DISHOECK: La historia general contada por la astroquímica es, ¿cuál es nuestro origen? ¿De dónde venimos, cómo fuimos construidos? ¿Cómo se formaron nuestro planeta y nuestro sol? Eso finalmente nos lleva a tratar de descubrir los componentes básicos para el sol, la Tierra y para nosotros. Es como Legos: queremos saber qué piezas estaban en el set de construcción de Lego para nuestro sistema solar.
Los bloques de construcción más básicos son, por supuesto, los elementos químicos, pero la forma en que estos elementos se combinan para crear bloques de construcción más grandes (moléculas) en el espacio es crucial para comprender cómo surgió todo lo demás.
TKF: Usted y otros investigadores han identificado más de 200 de estos bloques moleculares en el espacio. ¿Cómo ha evolucionado el campo a lo largo de tu carrera?
EVD: En la década de 1970, comenzamos a descubrir que las moléculas muy inusuales, como los iones y los radicales, son relativamente abundantes en el espacio. Estas moléculas faltan o tienen electrones no apareados. En la Tierra, no persisten por mucho tiempo porque reaccionan rápidamente con cualquier otro asunto que encuentren. Pero debido a que el espacio está tan vacío, los iones y los radicales pueden vivir decenas de miles de años antes de toparse con algo.
Ahora, nos estamos moviendo hacia la identificación de las moléculas presentes en el corazón de las regiones donde se están formando nuevas estrellas y planetas, justo en este mismo momento. Estamos pasando de detectar iones y radicales aislados a moléculas más saturadas. Estos incluyen moléculas orgánicas [que contienen carbono] en las formas más simples, como el metanol. A partir de ese componente básico de metanol, puede acumularse en moléculas como el glicocoladehído, que es un azúcar, y el etilenglicol. Ambas son moléculas "prebióticas", lo que significa que son necesarias para la formación eventual de moléculas de la vida.
Cuando el campo de astroquímica se mueve a continuación, está lejos de hacer un inventario de moléculas y tratar de comprender cómo se forman estas diferentes moléculas. También estamos tratando de entender por qué podríamos encontrar mayores cantidades de ciertas moléculas en regiones cósmicas particulares en comparación con otros tipos de moléculas.
TKF: Lo que acabas de decir me hace pensar en una analogía: la astroquímica ahora se trata menos de encontrar nuevas moléculas en el espacio, algo así como los zoólogos que buscan nuevos animales en la selva. El campo ahora trata más sobre la "ecología" de cómo interactúan esos animales moleculares, y por qué hay tantos de cierto tipo por aquí en el espacio, pero tan pocos por allá, y así sucesivamente.
EVD: Esa es una buena analogía! A medida que entramos en la física y la química de cómo se forman las estrellas y los planetas, una parte importante es descubrir por qué algunas moléculas son abundantes en ciertas regiones interestelares, pero están "extintas", al igual que los animales, en otras regiones.
Si continuamos con su metáfora, hay muchas interacciones interesantes entre las moléculas que pueden compararse con la ecología animal. Por ejemplo, la temperatura es un factor de control en el comportamiento y las interacciones de las moléculas en el espacio, que también afecta la actividad de los animales y dónde viven, y así sucesivamente.
TKF: Volviendo a la idea de los bloques de construcción, ¿cómo funciona exactamente el proceso de construcción en astroquímica?
EVD: Un concepto importante en la construcción de moléculas en el espacio es uno que conocemos de la vida cotidiana aquí en la Tierra, llamado transiciones de fase. Es entonces cuando un sólido se derrite en un líquido, o un líquido se evapora en gas, y así sucesivamente.
Ahora en el espacio, cada molécula tiene su propia "línea de nieve", que es la división entre una fase gaseosa y una fase sólida. Entonces, por ejemplo, el agua tiene una línea de nieve, donde pasa del gas de agua al hielo de agua. Debo señalar que las formas líquidas de elementos y moléculas no pueden existir en el espacio porque hay muy poca presión; El agua puede ser líquida en la Tierra debido a la presión de la atmósfera del planeta.
Volviendo a las líneas de nieve, ahora estamos descubriendo que juegan un papel muy importante en la formación de planetas, controlando gran parte de la química. Uno de los componentes más importantes de Lego, por así decirlo, que hemos encontrado es el monóxido de carbono. Estamos familiarizados con el monóxido de carbono en la Tierra porque se produce en la combustión, por ejemplo. Mis colegas y yo hemos demostrado en el laboratorio de Leiden que el monóxido de carbono es el punto de partida para crear muchos compuestos orgánicos más complejos en el espacio. El monóxido de carbono que se congela de un gas a una fase sólida es un primer paso crucial para luego agregar los bloques de construcción de hidrógeno de Lego. Hacerlo te permite seguir construyendo moléculas cada vez más grandes como el formaldehído [CH2O], luego metanol, a glicocoladehído como discutimos, o incluso puede ir a moléculas más complejas como el glicerol [C3H8O3].
Ese es solo un ejemplo, pero le da una idea de cómo se desarrolla un proceso de construcción en astroquímica.
TKF: Acabas de mencionar tu laboratorio en el Observatorio de Leiden, el Laboratorio Sackler de Astrofísica, que entiendo tiene una distinción como el primer laboratorio de astrofísica. ¿Cómo llegó a ser y qué has logrado allí?
EVD: Así es. Mayo Greenberg, un astroquímico pionero, comenzó el laboratorio en la década de 1970 y fue realmente el primero de su tipo para la astrofísica en el mundo. Se retiró y luego mantuve el laboratorio funcionando. Eventualmente me convertí en director de este laboratorio a principios de la década de 1990 y lo seguí hasta alrededor de 2004, cuando un colega asumió el liderazgo. Todavía colaboro y realizo experimentos allí.
Lo que hemos logrado en el laboratorio son las condiciones extremas del espacio: su frialdad y su radiación. Podemos reproducir las temperaturas en el espacio hasta 10 grados Kelvin [menos 442 grados Fahrenheit; menos 260 grados centígrados], que está un poco por encima del cero absoluto. También podemos recrear la intensa radiación ultravioleta a la luz de las estrellas a la que las moléculas están sujetas en las regiones de formación de nuevas estrellas. [Star Quiz: prueba tu inteligencia estelar]
Sin embargo, donde fallamos es en reproducir el vacío del espacio, el vacío. Consideramos un vacío ultra alto en el laboratorio para tener del orden de 108 a 1010 [cien millones a diez mil millones] partículas por centímetro cúbico. Lo que los astrónomos llaman una nube densa, donde ocurre la formación de estrellas y planetas, tiene solo alrededor de 104, o alrededor de 10,000 partículas por centímetro cúbico. ¡Eso significa que una nube densa en el espacio aún está un millón de veces más vacía que lo mejor que podemos hacer en el laboratorio!
Pero esto finalmente funciona para nuestra ventaja. En el vacío extremo del espacio, la química que nos interesa comprender se mueve muy, muy lentamente. Eso simplemente no funcionará en el laboratorio, donde no podemos esperar 10,000 o 100,000 años para que las moléculas choquen entre sí e interactúen. En cambio, necesitamos poder hacer la reacción en un día para aprender cualquier cosa en la escala de tiempo de una carrera de ciencias humanas. Así que aceleramos todo y podemos traducir lo que vemos en el laboratorio a escalas de tiempo mucho más largas en el espacio.
TKF: Además del trabajo de laboratorio, a lo largo de su carrera, ha utilizado una variedad de telescopios para estudiar moléculas en el espacio. ¿Qué instrumentos fueron esenciales para su investigación y por qué?
EVD: Los nuevos instrumentos han sido cruciales durante toda mi carrera. La astronomía está realmente impulsada por las observaciones. Tener telescopios cada vez más potentes en nuevas longitudes de onda de luz es como mirar el universo con ojos diferentes.
Para darle un ejemplo, a fines de la década de 1980, regresé a los Países Bajos cuando el país estaba muy involucrado en el Observatorio Espacial Infrarrojo, o ISO, una misión dirigida por la Agencia Espacial Europea [ESA]. ¡Me sentí muy afortunado de que alguien más haya hecho el trabajo duro durante 20 años para hacer realidad ese telescopio y podría usarlo felizmente! ISO fue muy importante porque abrió el espectro infrarrojo donde pudimos ver todas estas firmas espectrales, como huellas dactilares químicas, de hielos, incluido el agua, que juegan un papel importante en la formación de estrellas y planetas y en el caso del agua, por supuesto, son críticos para la vida. Ese fue un gran momento.
La siguiente misión muy importante fue el Observatorio Espacial Herschel, en el que personalmente participé como estudiante graduado en 1982. Desde el lado de la química, estaba claro que Herschel era una misión principal para las moléculas interestelares, y en particular para "seguir el rastro de agua ". Pero primero, necesitábamos presentar el caso científico a la ESA. Fui a los EE. UU. Durante varios años y tuve discusiones similares allí, donde ayudé a presentar el caso científico de Herschel a las agencias de financiación de los EE. UU. Todo fue un gran impulso hasta que la misión fue finalmente aprobada a fines de la década de 1990. Luego, tardó 10 años en construirse y lanzarse, pero finalmente obtuvimos nuestros primeros datos a fines de 2009. Así que, de 1982 a 2009, ¡eso fue un largo plazo! [Fotos: increíbles imágenes infrarrojas del Observatorio Espacial Herschel]
TKF: ¿Cuándo y dónde arraigaron tus amores por el espacio y la química?
EVD: Mi amor principal siempre fue por las moléculas. Eso comenzó en la escuela secundaria con un muy buen profesor de química. Mucho depende de maestros realmente buenos, y no creo que las personas siempre se den cuenta de lo importante que es eso. Cuando llegué a la universidad, me di cuenta de que la física era tan divertida como la química.
TKF: ¿Qué camino académico tomaste para convertirte en un astroquímico?
EVD: En la Universidad de Leiden, hice mi maestría en química y estaba convencido de que quería continuar con la química cuántica teórica. Pero el profesor en ese campo en Leiden había muerto. Entonces comencé a buscar otras opciones. Realmente no sabía mucho sobre astronomía en ese momento. Fue mi entonces novio y actual esposo, Tim, quien acababa de escuchar una serie de conferencias sobre el medio interestelar, y Tim me dijo: "¡Sabes, también hay moléculas en el espacio!" [La risa]
Empecé a estudiar la posibilidad de hacer una tesis sobre moléculas en el espacio. Fui de un profesor a otro. Un colega en Amsterdam me dijo que para entrar realmente en el campo de la astroquímica, tenía que ir a Harvard para trabajar con el profesor Alexander Dalgarno. Como sucedió, en el verano de 1979, Tim y yo viajábamos en Canadá para asistir a una Asamblea General de la Unión Astronómica Internacional en Montreal. Descubrimos que se realizaban reuniones satélite antes de la Asamblea General, y una de ellas estaba ocurriendo en este parque específico donde Tim y yo estábamos acampando. La idea que teníamos era: "Bueno, ¡tal vez deberíamos aprovechar esta oportunidad e ir a ver a este profesor Dalgarno ya!"
Por supuesto, teníamos todo este equipo de campamento y ropa, pero llevaba una falda limpia que me puse. Tim me llevó a la reunión satelital, encontramos a mi colega de Amsterdam y dijo: "Oh, bien, te presentaré al profesor Dalgarno". El profesor me llevó afuera, hablamos durante cinco minutos, me preguntó qué había hecho, cuál era mi conjunto de habilidades de astroquímica, y luego dijo: "Suena interesante; ¿por qué no vienes y trabajas para mí?" Ese fue obviamente un momento crucial.
Así empezó todo. Nunca me he arrepentido de un momento desde entonces.
TKF: ¿Hubo otros momentos cruciales, tal vez al principio de tu infancia, que te pusieron en el camino de ser científico?
EVD: Actualmente, si. Tenía unos 13 años y mi padre acababa de organizar un año sabático en San Diego, California. Me despedí de mi escuela secundaria en los Países Bajos, donde habíamos recibido principalmente lecciones de latín y griego y, por supuesto, algunas matemáticas. Pero todavía no teníamos nada en términos de química o física, y la biología no comenzó hasta al menos uno o dos años después.
En la escuela secundaria en San Diego, decidí estudiar temas que eran muy diferentes. Tomé español, por ejemplo. También existía la posibilidad de hacer ciencia. Tuve una muy buena maestra, que era una mujer afroamericana, que en ese momento, en 1968, era bastante inusual. Ella fue muy inspiradora. Tenía experimentos, tenía preguntas y realmente logró atraerme a la ciencia.
TKF: Ahora mirando hacia la promesa del Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), que abrió hace varios años y se encuentra entre los proyectos de astronomía terrestres más ambiciosos y costosos que se hayan implementado. El astrofísico Reinhard Genzel le da crédito por ayudar a forjar el consenso internacional detrás de este observatorio. ¿Cómo presentó el caso para ALMA?
EVD: ALMA ha sido un éxito increíble como el primer observatorio en este rango especial de luz milimétrica y submilimétrica que es una ventana importante para observar moléculas en el espacio. Hoy, ALMA consta de 66 radiotelescopios con configuraciones de 7 y 12 metros que se extienden a través de una llanura de gran altitud en Chile. ¡Fue un camino muy largo para llegar a donde estamos ahora!
ALMA es el resultado de los sueños de miles de personas. Fui uno de los dos miembros del lado europeo en el Comité Asesor Científico de EE. UU. Para ALMA. Conocí bien a la comunidad científica de América del Norte por mis seis años trabajando en los Estados Unidos. Ambas partes, así como Japón, tenían conceptos muy diferentes para ALMA. Los europeos pensaban en un telescopio que pudiera usarse para una química profunda del universo muy temprano, mientras que los norteamericanos pensaban mucho más en imágenes a gran escala y de alta resolución; un grupo hablaba de construir telescopios de ocho metros, el otro acerca de telescopios de 15 metros. [Conozca a ALMA: fotos increíbles del radiotelescopio gigante]
Así que fui una de las personas que ayudó a reunir esos dos argumentos. Le dije: "Si construyes una matriz mucho más grande, en realidad todos ganamos". El plan se convirtió en reunir una mayor cantidad de telescopios en un solo conjunto, en lugar de conjuntos separados, que no son tan potentes. Y eso es lo que pasó. Establecimos el tono de trabajar juntos en este fantástico proyecto en lugar de ser competidores.
TKF: ¿Qué nuevas fronteras está abriendo ALMA en astroquímica?
EVD: El gran salto que estamos haciendo con ALMA está en la resolución espacial. Imagina mirar una ciudad desde arriba. Las primeras imágenes de Google Earth eran muy pobres, casi no se podía ver nada; Una ciudad era una gran mancha. Desde entonces, las imágenes se han vuelto cada vez más nítidas a medida que la resolución espacial ha mejorado con las cámaras a bordo de los satélites. Hoy en día se pueden ver los canales [en las ciudades holandesas], las calles, incluso las casas individuales. Realmente puedes ver cómo se arma toda la ciudad.
Lo mismo está sucediendo ahora con los lugares de nacimiento de los planetas, que son estos pequeños discos alrededor de estrellas jóvenes. Esos discos son de cien a mil veces más pequeños que las nubes que hemos visto anteriormente donde nacen las estrellas. Con ALMA, nos estamos acercando a las regiones donde se están formando nuevas estrellas y planetas. Esas son realmente las escalas relevantes para comprender cómo funcionan esos procesos. Y ALMA, de manera única, tiene las capacidades espectroscópicas para detectar y estudiar una amplia gama de moléculas involucradas en esos procesos. ALMA es un fantástico paso adelante de cualquier cosa que hayamos tenido antes.
TKF: Los nuevos telescopios que has utilizado durante el transcurso de tu carrera han demostrado ser extraordinarios. Al mismo tiempo, todavía estamos limitados en cuanto a lo que podemos ver en el cosmos. Cuando piensa en las futuras generaciones de telescopios, ¿qué es lo que más espera ver?
EVD: El siguiente paso en nuestra investigación es el James Webb Space Telescope [JWST], que se lanzará en 2021. Con JWST, estoy ansioso por ver moléculas orgánicas y agua en escalas aún más pequeñas, y en diferentes partes del planeta. formando zonas, que es posible con ALMA.
Pero ALMA será esencial para nuestra investigación durante mucho tiempo, otros 30 a 50 años. Todavía hay mucho por descubrir con ALMA. Sin embargo, ALMA no puede ayudarnos a estudiar la parte más interna de un disco formador de planetas, en la escala de donde se formó nuestra Tierra, a poca distancia del sol. El gas en el disco es mucho más cálido allí, y la luz infrarroja que emite puede ser capturada por un instrumento que mis colegas y yo hemos ayudado a implementar para JWST.
JWST es la misión final en la que he trabajado. Nuevamente, fue por casualidad que me involucré, pero estaba en una buena posición con mis socios y colegas estadounidenses para ayudar. Varios de nosotros, europeos y estadounidenses, nos reunimos y dijimos: "Oye, queremos que este instrumento suceda y podemos hacerlo en una asociación 50/50".
TKF: Dado su trabajo en los bloques de construcción que componen las estrellas y los planetas, ¿el cosmos parece susceptible o incluso propicio para la vida?
EVD: ¡Siempre digo que proporciono los componentes básicos, y luego depende de la biología y la química contar el resto de la historia! [Risas] En última instancia, importa de qué tipo de vida estamos hablando. ¿Estamos hablando de la vida más primitiva y unicelular que sabemos que surgió rápidamente en la Tierra? Teniendo en cuenta todos los ingredientes que tenemos disponibles, no hay razón para que eso no pueda surgir en ninguno de los miles de millones de exoplanetas que ahora sabemos que orbitan miles de millones de otras estrellas.
Yendo a los siguientes pasos de la vida multicelular y, en última instancia, inteligente, entendemos muy poco aún cómo emerge de una vida más simple. Pero creo que es seguro decir que dado el nivel de complejidad, es menos probable que surja tan a menudo como, por ejemplo, los microbios. [10 exoplanetas que podrían albergar vida alienígena]
TKF: ¿Cómo nos ayudará el campo de la astroquímica a responder la pregunta de si existe vida extraterrestre en el universo?
EVD: Estudiar la química de las atmósferas de exoplanetas es lo que nos ayudará a responder esta pregunta. Encontraremos muchos exoplanetas potencialmente similares a la Tierra. El siguiente paso será buscar huellas espectrales, que mencioné anteriormente, en las atmósferas de los planetas. En esas huellas dactilares, buscaremos específicamente "biomoléculas" o combinaciones de moléculas que puedan indicar la presencia de alguna forma de vida. Eso significa no solo agua, sino oxígeno, ozono, metano y más.
Nuestros telescopios actuales apenas pueden detectar esas huellas digitales en atmósferas de exoplanetas. Es por eso que estamos construyendo la próxima generación de telescopios terrestres gigantes, como el Extremely Large Telescope, que tendrá un espejo que es aproximadamente tres veces más grande que cualquier cosa de hoy. Estoy involucrado en hacer el caso de la ciencia para ese y otros instrumentos nuevos, y las biofirmas son realmente uno de los principales objetivos. Esa es la dirección emocionante donde irá la astroquímica.
