1870: Descoberto, finalmente, o primeiro tipo de molécula do Universo

Ilustração da nebulosa planetária NGC 7027 e das moléculas de hidreto de hélio. Nesta nebulosa planetária, o SOFIA detetou hidreto de hélio, uma combinação de hélio (vermelho) e hidrogénio (azul), que foi o primeiro tipo de molécula a formar-se no Universo primitivo. Esta é a primeira vez que o hidreto de hélio foi descoberto no Universo moderno.
Crédito: NASA/SOFIA/L. Proudfit/D.Rutter

O primeiro tipo de molécula que se formou no Universo foi detectado no espaço pela primeira vez, após década de pesquisa. Os cientistas descobriram a sua assinatura na nossa própria Galáxia usando o maior observatório aerotransportado do mundo, o SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) da NASA, enquanto o avião voava bem acima da superfície da Terra e apontava os seus instrumentos sensíveis para o cosmos.

Quando o Universo era ainda muito jovem, só existiam apenas alguns tipos de átomos. Os cientistas pensam que cerca de 100.000 anos após o Big Bang, o hélio e o hidrogénio combinaram-se para fazer pela primeira vez uma molécula chamada hidreto de hélio. O hidreto de hélio deve estar presente em algumas partes do Universo moderno, mas nunca tinha sido detectado no espaço – até agora.

O SOFIA encontrou o hidreto de hélio moderno numa nebulosa planetária, um remanescente do que já foi uma estrela parecida com o Sol. Localizada a 3000 anos-luz de distância na direcção da constelação de Cisne, esta nebulosa planetária, de nome NGC 7027, tem condições que permitem a formação desta molécula misteriosa. A descoberta serve como prova de que o hidreto de hélio pode, de facto, existir no espaço. Isto confirma uma parte fundamental da nossa compreensão básica da química do Universo primitivo e de como evoluiu ao longo de milhares de milhões de anos para a química complexa de hoje. Os resultados foram publicados na edição desta semana da revista Nature.

“Esta molécula estava à espreita, mas precisávamos dos instrumentos certos para fazer as observações na posição certa – e o SOFIA conseguiu fazer isso perfeitamente,” disse Harold Yorke, director do Centro de Ciência SOFIA, em Silicon Valley, no estado norte-americano da Califórnia.

Hoje, o Universo está cheio de estruturas grandes e complexas como planetas, estrelas e galáxias. Mas há mais de 13 mil milhões de anos, após o Big Bang, o Universo primordial era quente e tudo o que existia eram alguns tipos de átomos, principalmente hélio e hidrogénio. À medida que os átomos se combinavam para formar as primeiras moléculas, o Universo foi finalmente capaz de arrefecer e começou a tomar forma. Os cientistas inferiram que o hidreto de hélio era essa primeira molécula primordial.

Quando o arrefecimento começou, os átomos de hidrogénio puderam interagir com o hidreto de hélio, levando à criação do hidrogénio molecular – a molécula principalmente responsável pela formação das primeiras estrelas. As estrelas passaram a forjar todos os elementos que compõem o nosso rico cosmos químico de hoje. O problema, porém, é que os cientistas não conseguiam encontrar hidreto de hélio no espaço. Este primeiro passo no nascimento da química permaneceu por provar, até agora.

“A falta de evidências da própria existência do hidreto de hélio no espaço interestelar foi um dilema para a astronomia durante décadas,” disse Rolf Guesten do Instituto Max Planck para Radioastronomia, em Bona, Alemanha, autor principal do artigo.

O hidreto de hélio é uma molécula “sensível”. O hélio, propriamente dito, é um gás nobre que dificilmente combina com qualquer outro tipo de átomo. Mas em 1925 os cientistas conseguiram criar a molécula em laboratório, persuadindo o hélio a partilhar um dos seus electrões com um ião de hidrogénio.

Seguidamente, no final da década de 1970, os cientistas que estudavam a nebulosa planetária NGC 7027 pensaram que este ambiente podia ser o ideal para formar o hidreto de hélio. A radiação ultravioleta e o calor da estrela envelhecida criam condições adequadas para a formação do hidreto de hélio. Mas as suas observações foram inconclusivas. Esforços subsequentes sugeriram que podia lá existir, mas a molécula misteriosa continuava a escapar à detecção. Os telescópios espaciais usados não tinham a tecnologia específica para captar o sinal do hidreto de hélio a partir da mistura de outras moléculas na nebulosa.

Em 2016, os cientistas recorreram à ajuda do SOFIA. Voando a mais de 13.000 metros de altitude, o SOFIA faz observações acima das camadas interferentes da atmosfera da Terra. Mas tem uma vantagem em relação aos telescópios espaciais – regressa ao solo depois de cada voo.

“Podemos mudar os instrumentos e instalar a tecnologia mais recente,” disse Naseem Rangwala, cientista do projecto SOFIA. “Esta flexibilidade permite-nos melhorar as observações e responder às questões mais prementes dos cientistas.”

Uma actualização recente de um dos instrumentos do SOFIA, chamado GREAT (German Receiver at Terahertz Frequencies), acrescentou o canal específico para o hidreto de hélio que os telescópios anteriores não tinham. O instrumento trabalha como um receptor de rádio. Os cientistas sintonizam a frequência da molécula que procuram, de modo semelhante à sintonização de um rádio FM na estação certa. Quando o SOFIA levantou voo no céu nocturno, os ansiosos cientistas estavam a bordo lendo os dados do instrumento em tempo real. O sinal do hidreto de hélio finalmente foi recebido em condições.

“Foi muito emocionante estar lá e ver o hidreto de hélio pela primeira vez nos dados,” disse Guesten. “Isto leva uma investigação longa a um final feliz e elimina dúvidas sobre a nossa compreensão da química subjacente do Universo primordial.”

Astronomia On-line
19 de Abril de 2019

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1008: Cientista em férias descobre por acaso como controlar uma molécula

CIÊNCIA

DESY/Science Communication Lab

Num passo sem precedentes, cientistas da Universidade de Bath conseguiram manipular moléculas individuais durante um femtossegundo. A descoberta pode levar o controlo da matéria a um novo nível de precisão.

A descoberta dos cientistas ocorreu depois de um acaso de laboratório onde a certa altura, numa experiência-padrão na qual os cientistas esperavam acelerar uma reacção ao introduzir um aumento na corrente eléctrica, os resultados não foram os esperados.

Os resultados obtidos, diferentes dos habituais, levaram os cientistas a investigar o sucedido, tendo chegado à conclusão de que tinham “tropeçado” numa maneira de controlar uma molécula – mesmo que apenas durante um femtossegundo, ou seja, 10-15 segundos – algo como um “milésimo bilionésimo” de segundo. A descoberta abre um novo campo de possibilidades e avanços nas experiências em nano-escala.

Os cientistas da Universidade de Bath, em Inglaterra, descobriram que podiam obter controlo sobre a molécula aproximando um microscópio de digitalização por tunelamento (STM) da molécula em estudo.

“O nosso trabalho oferece um novo caminho para controlar moléculas isoladas e as suas reacções”, afirmou Peter Sloan, um dos autores da pesquisa. “Trabalhar a estas escalas faz com que seja muito difícil executar o trabalho mas, com esta técnica, temos uma extrema resolução e reprodutibilidade”.

Os STM são utilizados para criar imagens 2D ou 3D a um nível atómico, digitalizando as superfícies com a ponta de uma sonda eléctrica. Nas experiências realizadas pela equipa de investigadores, eram observados electrões isolados a chocar e a reagir com a molécula em estudo através do uso de uma corrente muito pequena.

Curiosamente, para além de a descoberta ter sido casual, os resultados pouco habituais da experiência foram notados pela física Kristina Rusimova, uma das autoras da pesquisa, quando esta se encontrava de férias. A cientista decidiu então analisar os dados da experiência, acabando assim por encontrar durante o seu descanso os invulgares resultados – que podem abrir grandes possibilidades.

“Eram dados de uma experiência comum e padrão. Estávamos a fazê-la porque pensamos que tínhamos esgotado todas as coisas interessantes para fazer e esta era apenas uma última verificação”, contou Rusimova. “Contudo, os meus dados apareceram errados – todos os gráficos deviam estar para cima e os meus iam para baixo”.

A descoberta dessa anormalidade nos gráficos levou à descoberta de que, mantendo a ponta da sonda eléctrica entre 600 e 800 bilionésimos de metro afastado da molécula, os electrões após o impacto com a molécula, eram lançados 100 vezes mais rápido.

A experiência, apresentada num artigo publicado na sexta-feira na revista Science, revela assim que as moléculas isoladas de tolueno podem ser retiradas de uma superfície de silício de maneira controlada.

Os investigadores acreditam agora que possa existir um novo estado quântico na nano-escala entre a ponta do microscópio e a molécula. Esse novo canal criado para o electrão viajar, reduz o tempo que este demora na molécula e reduz as hipóteses de reacção.

A investigação também mostra que as experiências podem passar de passivas, ou seja, uma mera observação, para activas, onde os cientistas têm a oportunidade de controlar as reacções e basear novas experiências.

“O foco principal deste trabalho é desenvolver as ferramentas necessárias que nos permitam controlar a matéria em situações extremas“, afirmou Peter Sloan. “Seja a quebrar ligações químicas que a natureza não quer que quebremos, seja a produzir estruturas moleculares termo-dinamicamente proibidas”.

Por ZAP
13 Setembro, 2018

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