ACIDO CIANIDRICO PROTONATO, PER GLI AMICI HCNH+

A caccia di molecole rare nelle nursery stellari

La grande sensibilità del radiotelescopio Iram da 30 metri permette di rivelare emissioni molto deboli, come quella da molecole rare come HCNH+. Un gruppo di astronomi guidato dall'Inaf ha studiato nel dettaglio questa molecola (abbondante nell'atmosfera di Titano) e per la prima volta è stato chiarito che l'abbondanza di HCNH+ è diversa a seconda che si tratti di regioni di formazione stellare giovani (fredde) o evolute (calde). I dettagli su A&A

     05/08/2021
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La nube molecolare G034.43+00.24, uno dei target dello studio di Fontani et al. (2021), vista nelle immagini multi-banda di Glimpse (Benjamin et al. 2003), la survey infrarossa della parte interna della Via Lattea ottenuta con il telescopio spaziale Spitzer (rosso = 8 micrometri; verde = 5.8 micrometri; blu = 4.5 micrometri). Il filamento scuro nell’infrarosso, costituito da materiale freddo e denso, è pieno di molecole (tra cui HCNH+) che emettono luce a lunghezze d’onda radio. Crediti: Ashley Thomas Barnes e Francesco Fontani

Utilizzando il radiotelescopio spagnolo Iram da 30 metri, cinque ricercatori guidati dall’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) hanno portato a termine la prima survey in regioni di formazione stellare di una molecola interstellare rara ma importante: HCNH+ o acido cianidrico protonato. Si tratta di una particella ionizzata, tra le più abbondanti finora trovate nell’atmosfera di Titano (il più grande satellite naturale del pianeta Saturno). Gli esperti ritengono che la molecola HCNH+ sia una specie cruciale nelle reazioni astrochimiche, che però era stata finora identificata solo in una manciata di regioni di formazione stellare, e quindi la sua chimica è poco conosciuta. Il team guidato dall’Inaf ha osservato 26 target di grande massa in diversi stadi evolutivi, rilevando la molecola in ben 16 regioni. Questo rappresenta il più grande campione di sorgenti in cui questo ione molecolare è stato trovato fino a oggi. I risultati vengono presentati in articolo pubblicato recentemente sulla rivista Astronomy & Astrophysics.

Abbiamo intervistato il primo autore dello studio, Francesco Fontani, astronomo all’Inaf di Firenze e professore a contratto di fisica del mezzo interstellare all’Università di Firenze. Il suo campo di ricerca riguarda principalmente la formazione di stelle e la presenza nello spazio di molecole di importanza biologica che possono essere legate all’origine della vita nell’Universo.

Che cos’è la molecola HCNH+ e dove è possibile trovarla?

«In italiano, la molecola è acido cianidrico protonato. Sulla Terra non è un composto che può essere utilizzato perché estremamente instabile: se presente nell’atmosfera, a causa dell’alta densità del gas reagirebbe quasi istantaneamente con qualcos’altro formando un composto più stabile. Ma nel gas rarefatto e a bassa pressione di una nube interstellare, dove le interazioni tra particelle sono molto più rare, può sopravvivere a lungo ed essere vista con i radiotelescopi. Altre molecole simili (H3+, N2H+, C3+) sono “interstellari” più che terrestri, perché sopravvivono a lungo solo in quel tipo di ambiente. HCNH+ è probabilmente la particella ionizzata più abbondante nell’atmosfera di Titano, l’unico satellite del Sistema solare con un’atmosfera, e in più ricca di azoto come quella terrestre».

Perché è una molecola importante da studiare nello spazio interstellare?

«Si pensa essere una specie chiave per i processi chimici nelle regioni in cui si formano stelle e che sia il maggior “progenitore” delle molecole HCN (acido cianidrico) e HNC (idrogeno isocyanide), due molecole molto abbondanti ovunque nello spazio ed entrambe implicate in varie teorie di sintesi di molecole prebiotiche. Pare infatti che dalla polimerizzazione di HCN si possa giungere all’adenina, base azotata di Dna ed Rna. In generale, si ritiene che HCNH+ sia una molecola chiave nei processi chimici interstellari che coinvolgono i nitrili, composti organici caratterizzati dal gruppo funzionale -CN (carbonio-azoto), importanti in astrochimica e astrobiologia perché possibili progenitori di acidi organici».

Qual è l’elemento di novità del vostro studio rispetto allo stato dell’arte?

«Nel nostro lavoro pubblichiamo il rilevamento dell’emissione di HCNH+ in 16 regioni o ammassi in cui si formano stelle di grande massa, cioè grandi 8-10 volte il Sole. Le 16 regioni hanno “età” varie: si va da oggetti molto giovani, freddi e quiescenti, in cui il processo di formazione stellare è all’inizio, a oggetti in stadi più avanzati, caldi e turbolenti. Questo permette di studiare i maggiori processi che formano (e distruggono) HCNH+ in condizioni molto diverse. È anche il primo studio in cui confrontiamo l’abbondanza di HCNH+ in regioni con proprietà fisiche e evolutive molto diverse, e per la prima volta analizziamo le principali reazioni chimiche legate a HCNH+ in un ambiente caldo ed evoluto, mentre gli studi precedenti si erano focalizzati solo su ambienti freddi e giovani».

Francesco Fontani, ricercatore all’Osservatorio astrofisico di Arcetri (FI) dell’Istituto nazionale di astrofisica

Cosa avete scoperto?

«Il risultato osservativo più importante è che HCNH+ è significativamente più abbondante nelle fasi giovani della formazione stellare, costituendo quindi un’importante serbatoio di HCN e HNC già da questi primi momenti. Si è visto che i progenitori della molecola HCNH+ sono diversi in gas con condizioni fisiche ed evolutive diverse, ed è la prima volta che ce ne rendiamo conto. Entrando un po’ nel tecnico, in regioni giovani e fredde (10 K, circa -260 gradi Celsius), i “genitori” sono principalmente gli ioni HCN+ e HNC+; in regioni più evolute e calde (relativamente… si parla sempre di 30 K, ovvero circa -240 gradi Celsius) i genitori sono principalmente HCN e HCO+. Abbiamo scoperto che le abbondanze di HCNH+ relative a H2, la maggior molecola interstellare, sono più alte nelle regioni fredde rispetto a quelle calde, e questo ha anche un’altra interessante conseguenza: l’abbondanza di HCNH+ può essere usata per capire se una regione di cui non si conosce bene l’età evolutiva è “più giovane o più vecchia”. Molecole con queste proprietà si chiamano anche chemical clocks o chemical evolutionary indicators».

La molecola è stata studiata per caso mentre cercavate altro? Cosa in particolare?

«Sì, stavamo cercando molecole contenenti deuterio, l’isotopo stabile dell’idrogeno con un protone e un neutrone nel nucleo, seguendo l’idea che l’abbondanza di queste molecole cambia con l’evoluzione fisica e chimica della regione che le contiene. Queste osservazioni sono già state pubblicate, e hanno effettivamente confermato la nostra ipotesi, cioè che alcune molecole contenenti deuterio sono indicatori dell’età della regione ospite. Ma spulciando l’intera banda spettrale osservata è saltata fuori anche l’emissione di molte altre molecole, tra cui HCNH+, che non ci aspettavamo essere un altro indicatore di età!».

Cosa ci resta da scoprire su HCNH+?

«Sulla base dei nostri risultati abbiamo capito per la prima volta quali sono i processi chimici che “in media” sono dominanti nel formare HCNH+ in regioni, diciamo, più fredde e giovani o più calde e evolute, grazie ad un grosso salto in termini di numero e proprietà delle regioni osservate rispetto agli studi precedenti (da 5-6 a 16 regioni). In futuro, avremo bisogno di osservare un numero ancora maggiore di regioni con proprietà fisiche diverse per arrivare ad una piena comprensione del ruolo di questa molecola nell’importante contesto della chimica interstellare dei nitrili».

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