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En las frías afueras del sistema solar, la luna más grande de Saturno, Titán, puede contener pistas sobre las primeras etapas de la evolución de la vida en la Tierra. Pero esas pistas están literalmente escondidas en la neblina. La atmósfera de Titán está envuelta en una niebla de color marrón anaranjado hecha de aerosoles orgánicos, cuyo origen y naturaleza aún desconciertan a los astrónomos.

Ahora hemos desvelado en el laboratorio nuevos detalles sobre cómo se pudo haber formado la famosa neblina de Titán y cómo se ve su composición química. Resolvimos moléculas de diferentes tamaños, brindando instantáneas de las diferentes etapas a través de las cuales crecen las moléculas para acumular la neblina. Informamos de nuestros hallazgos en el último número de la Astrophysical Journal.

La neblina de Titán consiste en nanopartículas hechas de una amplia variedad de moléculas orgánicas grandes y complejas que contienen carbono, hidrógeno y nitrógeno. Estas moléculas se forman en una cascada de reacciones químicas cuando la radiación (ultravioleta y cósmica) golpea la mezcla de metano, nitrógeno y otros gases en atmósferas como la de Titán.

Los científicos planetarios creen que, hace unos 2.8 millones de años, la Tierra pudo haber estado rodeada por una neblina similar a la de Titán. Entonces, estudiar la neblina de Titán hoy les da a los científicos una especie de máquina del tiempo para viajar de regreso a los orígenes de la vida en nuestro propio planeta.

Gracias a la nave espacial Cassini que orbitó Saturno desde 2004 hasta 2017, los astrónomos aprendieron mucho sobre la neblina de Titán a partir de mediciones directas en la atmósfera de la luna. Pero todavía no entienden todos los detalles de la cascada de reacciones mediante la cual se fabrican las nanopartículas a partir de materias primas tan simples como el metano y el nitrógeno. Tampoco conocen la estructura química exacta de las grandes moléculas que componen la neblina.

Pero, afortunadamente, también podemos estudiar a Titán aquí en la Tierra. Durante décadas, los astroquímicos han estado recreando la neblina de Titán en el laboratorio en un intento por comprender mejor los componentes de la neblina. Los componentes de este laboratorio análogo a la neblina de Titán se conocen como tholins, un término derivado de una palabra griega que significa barro y acuñado en 1979. Naturaleza artículo en coautoría del difunto astrónomo y autor Carl Sagan. Eso es exactamente lo que hicimos. Inundamos un recipiente de acero inoxidable con una mezcla de metano y nitrógeno y luego provocamos reacciones químicas a través de una descarga eléctrica, imitando así las condiciones en la atmósfera de Titán.

Luego analizamos más de 100 moléculas resultantes que componen las tolinas de Titán en nuestro laboratorio en Zurich, obteniendo imágenes de resolución atómica de alrededor de una docena de ellas con nuestro microscopio de fuerza atómica de baja temperatura construido en casa.

Imágenes AFM de alta resolución y estructuras asignadas de tolinas de la fracción común.

Durante décadas, los científicos han construido una imagen general de la composición química de la neblina de Titán. En él, la mayor parte de la neblina está formada por hidrocarburos aromáticos policíclicos que contienen nitrógeno. Ahora encontramos confirmación para ese escenario y obtuvimos imágenes espaciales reales de esas moléculas en nuestro duplicado de laboratorio de la neblina de Titán. Agregando a esa imagen, encontramos que los anillos aromáticos pentagonales son comunes. La estructura de las moléculas más grandes que observamos nos dice cómo crecen.

Las estructuras químicas reveladas en nuestro estudio podrían estar relacionadas con la humectabilidad de la neblina, que afecta el ciclo hidrológico basado en metano en Titán y determina si las nanopartículas flotan o no en los lagos de hidrocarburos de Titán. Encontrar estos nuevos detalles sobre la estructura química de las tolinas aumenta nuestra comprensión no solo de la neblina de Titán, sino también de la probabilidad de que los aerosoles hayan favorecido la vida en la Tierra primitiva en el pasado. Se sabe que las estructuras moleculares que ahora hemos fotografiado son buenas absorbentes de luz ultravioleta. Eso, a su vez, significa que la neblina puede haber actuado como un escudo que protegía a las moléculas de ADN en la superficie de la Tierra primitiva de la radiación dañina.

“Este documento muestra un nuevo trabajo innovador en el uso de microscopía a escala atómica para investigar las estructuras de moléculas orgánicas complejas con múltiples anillos. El análisis típico de compuestos generados en laboratorio mediante técnicas como la espectroscopia de masas revela las proporciones relativas de los diversos elementos, pero no la estructura y los enlaces químicos. Por primera vez aquí vemos la arquitectura molecular de compuestos sintéticos similares a los que se cree que causan la neblina naranja de la atmósfera de Titán. Esta aplicación ahora proporciona una nueva y emocionante herramienta para el análisis de muestras de materiales astrobiológicos, incluidos meteoritos y muestras devueltas de cuerpos planetarios”, dijo Conor A. Nixon, científico espacial de investigación, Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, que no participa en el artículo.

Schulz et al. "Imágenes de la neblina orgánica de Titán a escala atómica". 2021, ApJL, 908, L13. DOI: 10.3847/2041-8213/abd93e