Como radiotelescópios rastreiam a origem das estrelas por meio de moléculas cósmicas

Como os astrônomos não conseguem reproduzir em laboratório os sinais emitidos por moléculas provenientes de regiões de formação estelar, eles precisam fazer isso de maneira indireta. Radiotelescópios — como o ALMA, localizado no Deserto do Atacama, no Chile — são ideais para essa finalidade.

A melhor ferramenta para essa tarefa é a luz — não apenas a luz visível que enxergamos com nossos próprios olhos, mas também outros tipos, como as ondas de rádio (especificamente nas faixas de frequência de milímetros e submilímetros), uma vez que elas são emitidas pelo gás e pela poeira.

Milhares de espectros são convertidos em mapas; em cada pixel, linhas moleculares são ajustadas para estimar propriedades como a temperatura de rotação e a densidade de coluna — uma medida relacionada ao número de moléculas ao longo da nossa linha de visão.

Olivia H. Wilkins e sua equipe aplicaram essa técnica para estudar a região Orion Kleinmann–Low (Orion KL), uma área complexa de formação de estrelas massivas situada a aproximadamente 400 parsecs (cerca de 1.300 anos-luz) da Terra. O objetivo principal não era descobrir uma nova molécula, mas sim verificar se esses mapas químicos produzem resultados reproduzíveis.

Termômetros cósmicos

As nuvens moleculares começam com temperaturas extremamente baixas e densidades ínfimas em comparação com as da atmosfera terrestre. À medida que o gás entra em colapso e protoestrelas surgem, o ambiente se aquece e se comprime, alterando as reações químicas que ocorrem na poeira e no gás.

A intensidade das transições depende da população de seus níveis de energia, a qual, por sua vez, responde às condições físicas do ambiente. Ao comparar diferentes linhas, podemos inferir temperaturas sem colocar um termômetro dentro da nuvem.

O metanol (CH₃OH) é particularmente útil por ser uma molécula orgânica relativamente simples que se forma principalmente nas regiões frias, recobrindo grãos de poeira interestelar. Quando o ambiente se aquece, parte do metanol pode passar para a fase gasosa, permitindo que suas emissões de rádio sejam detectadas e mapeadas.

O novo estudo concentra-se em isótopos dessas moléculas, como o ¹³CH₃OH — que contém carbono-13 — e o CH₃OD, uma forma de "metanol deuterado". A comparação de suas distribuições possibilita rastrear processos químicos distintos e estudar como a temperatura e a composição variam na nebulosa Orion KL.

ALMA coloca à prova seus próprios mapas químicos

Em vez de atribuir um único valor de temperatura ou abundância, os mapas mostram como essas propriedades variam de ponto para ponto. Isso revela regiões quimicamente distintas que seriam diluídas caso apenas um espectro médio fosse analisado.

No caso do metanol, foram comparadas observações do ALMA realizadas em momentos diferentes e utilizando diferentes transições rotacionais. Os novos mapas de temperatura e densidade de coluna mostraram-se altamente consistentes com os anteriores, particularmente na região Hot Core-SW e na chamada Compact Ridge de Orion KL.

No Hot Core-SW, a densidade de coluna atingiu aproximadamente 1,2 × 10¹⁷ moléculas por centímetro quadrado. As temperaturas apresentaram excelente concordância entre os dois conjuntos de dados observacionais — um indício significativo de que o procedimento preserva estruturas físicas reais dentro da nebulosa.

Para o metanol "deuterado", as novas observações indicaram uma densidade de coluna de pico próxima de 1,0 × 10¹⁷ moléculas por centímetro quadrado — um valor várias vezes inferior ao estimado anteriormente. Essa diferença é atribuída a um aprimoramento na análise dos dados.

A química poderia revelar estrelas ocultas

Apesar das discrepâncias, a distribuição relativa das duas formas de metanol apresentou tendências semelhantes, sugerindo que o padrão químico não é meramente um artefato resultante de um conjunto específico de observações ou do método analítico.

Esse detalhe é significativo, pois pesquisas anteriores já haviam indicado que a abundância anômala de metanol deuterado poderia estar ligada à evolução térmica de gelos interestelares.

Wilkins propôs anteriormente que certas anomalias químicas em Hot Core-SW são consistentes com uma fonte interna, possivelmente uma protoestrela ainda profundamente embutida. Embora não se trate de uma detecção direta, isso demonstra como a química pode orientar observações futuras.

O resultado principal não é apenas um mapa mais detalhado de Orion KL; ele também demonstra que o ajuste espectral pixel a pixel pode gerar excelentes resultados para a comparação detalhada da composição química. Isso abre um novo caminho para o estudo da organização química de regiões de formação estelar.