Un disinfettante nel regno del centro galattico

Un gruppo di ricerca internazionale guidato da Arnaud Belloche (MPIfR Bonn) ha rilevato per la prima volta la molecola di isopropanolo in una sostanza usata sulla terra come disinfettante. L’isopropanolo è la più grande molecola di alcol scoperta nello spazio fino ad oggi e dimostra la crescente complessità dei membri di questa classe di molecole così comuni nello spazio. La scoperta è stata possibile osservando la regione di formazione stellare Sagittario B2 (Sgr B2) vicino al centro della nostra Via Lattea, in cui sono già state rilevate numerose molecole. Sgr B2 è oggetto di un ampio studio di composizione chimica con il telescopio ALMA in Cile.

La ricerca di molecole nello spazio va avanti da più di 50 anni. Ad oggi, gli astronomi sono stati in grado di identificare 276 molecole nel mezzo interstellare. Il database di spettroscopia molecolare di Colonia (CDMS) presenta dati spettroscopici per il rilevamento di queste molecole, forniti da molti gruppi di ricerca, e in molti casi ha contribuito all’identificazione di queste molecole.

Lo scopo del presente lavoro è capire come si formano le molecole organiche nel mezzo interstellare, specialmente nelle regioni dove nascono nuove stelle, e quanto possono essere complesse queste molecole. Una motivazione alla base di questo è quella di stabilire connessioni con la composizione chimica dei corpi nel sistema solare come le comete, come quella fornita dalla missione Rosetta alla cometa Churyumov-Gerasimenko alcuni anni fa.

Una regione di formazione stellare particolarmente adatta nella nostra galassia, in cui molte molecole sono già state rilevate in passato, è il Sagittario B2 (Sgr B2), molto vicino a Sgr A*, il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea.

“Il nostro gruppo ha iniziato a studiare la composizione chimica di Sgr B2 con il radiotelescopio IRAM da 30 m più di 15 anni fa”, afferma Arnaud Belloche del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) di Bonn, il primo autore della pubblicazione sulla scoperta dell’isopropanolo. “Queste osservazioni hanno avuto successo e in particolare hanno portato al primo rilevamento interstellare di un certo numero di molecole organiche, tra molti altri risultati”.

Con l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), entrato in funzione dieci anni fa, è stato possibile andare oltre ciò che si poteva ottenere con i singoli radiotelescopi verso Sgr B2 ed è diventato uno studio di composizione chimica a lungo termine avviato da Sgr B2 con alta risoluzione angolare, che sfrutta anche l’elevata sensibilità di ALMA.

Dal 2014 le osservazioni di ALMA hanno portato all’identificazione di tre nuove molecole organiche (isopropilcianuro, N-metilformammide, urea). L’ultimo risultato di questo progetto ALMA è il rilevamento del propanolo (C3H7OH).

Il propanolo è la più grande molecola di alcol scoperta nello spazio interstellare. Questa molecola esiste in due forme (“isomeri”), a seconda dell’atomo di carbonio a cui è attaccato il gruppo funzionale idrossile (OH): 1) propanolo regolare, in cui l’OH è attaccato a un atomo di carbonio terminale della catena, e 2 ) iso-propanolo dove l’OH è attaccato all’atomo di carbonio centrale della catena. Entrambi gli isomeri del propanolo in Sgr B2 potrebbero essere identificati nel set di dati ALMA. È la prima volta che l’isopropanolo viene rilevato nel mezzo interstellare e il propanolo normale in una regione di formazione stellare. La prima rivelazione interstellare di propanolo normale è stata effettuata poco prima della rivelazione di ALMA da parte di un gruppo di ricerca spagnolo con telescopi singoli in una nuvola molecolare non lontano da Sgr B2. Tuttavia, la rilevazione dell’isopropanolo in direzione di Sgr B2 era possibile solo con ALMA.

“Il rilevamento di entrambi gli isomeri del propanolo ha un significato unico quando si tratta di determinare il meccanismo di formazione dei due isomeri. Poiché sono così simili, si comportano anche fisicamente in modo molto simile, il che significa che le due molecole dovrebbero essere presenti negli stessi punti e allo stesso tempo”, afferma Rob Garrod dell’Università della Virginia (Charlottesville/USA). “L’unica domanda aperta sono le quantità esatte che sono presenti – questo rende il loro rapporto di abbondanza interstellare molto più preciso di quanto sarebbe il caso per altre coppie di molecole. Significa anche che la rete chimica può essere sintonizzata in modo molto più preciso per rivelare il meccanismi per determinarne l’origine”.

La rete di telescopi ALMA è stata fondamentale nel rilevare entrambi gli isomeri del propanolo verso Sgr B2 grazie alla sua elevata sensibilità, alta risoluzione angolare e ampia copertura di frequenza. Una difficoltà nell’identificare le molecole organiche negli spettri delle regioni di formazione stellare è la confusione spettrale. Ogni molecola emette radiazioni a frequenze specifiche, la sua “impronta digitale” spettrale nota dalle misurazioni di laboratorio.

“Più grande è la molecola, più righe spettrali emetterà a diverse frequenze. In una sorgente come Sgr B2, ci sono così tante molecole che contribuiscono alla radiazione osservata che i loro spettri si sovrappongono ed è difficile svelare le loro impronte digitali e identificarle individualmente “, afferma Holger Müller dell’Università di Colonia, dove sono state effettuate misurazioni di laboratorio in particolare sul propanolo normale.

Grazie all’elevata risoluzione angolare di ALMA, è stato possibile isolare parti di Sgr B2 che emettono righe spettrali molto strette, cinque volte più strette delle righe rilevate su scale maggiori con il radiotelescopio IRAM da 30 m! La ristrettezza di queste righe riduce la confusione nello spettro, e questa è stata anche la chiave per identificare i due isomeri del propanolo in Sgr B2. Anche la sensibilità di ALMA ha giocato un ruolo importante: se la sensibilità fosse stata doppia, non sarebbe stato possibile identificare il propanolo nei dati raccolti.

Questa ricerca è un progetto a lungo termine per studiare la composizione chimica di diverse regioni di formazione stellare di Sgr B2 al fine di comprendere i processi chimici coinvolti nella formazione stellare. Lo scopo è determinare la composizione chimica delle regioni di formazione stellare ed eventualmente identificare nuove molecole interstellari. “Il propanolo è stato a lungo nella nostra lista di molecole da rintracciare, ma solo un recente lavoro comparativo in laboratorio per caratterizzare lo spettro delle transizioni rotazionali ci ha permesso di identificare chiaramente i due isomeri del propanolo”, afferma Oliver Zingsheim, anche lui del Università di Colonia.

Il rilevamento di molecole strettamente correlate che differiscono leggermente nella struttura (come il normale e l’isopropanolo o, come è stato il caso in passato, il normale e il cianuro di isopropile) e la misurazione del loro rapporto di abbondanza consente ai ricercatori di identificare parti specifiche della sostanza chimica per studiare la reazione rete che porta alla produzione di molecole nel mezzo interstellare.

“Ci sono ancora molte righe non identificate nello spettro ALMA di Sgr B2 e c’è ancora molto lavoro da fare per svelare la composizione chimica di questa importante fonte. Nel prossimo futuro, estendere la strumentazione ALMA a frequenze più basse probabilmente ci aiuterà a ridurre la confusione nello spettro e identificare potenzialmente più molecole organiche in Sgr B2”, conclude Karl Menten, Direttore dell’MPIfR e capo del dipartimento di ricerca sui millimetri – e astronomia submillimetrica.