Química na vastas nuvens de gás e poeira interestelar
Quem somos nós? Por que estamos aqui? Como sugere a música de Crosby, Stills, Nash & Young, somos pó de estrelas, o resultado da química que ocorre em vastas nuvens de gás e poeira interestelar. Para entender melhor como essa química pode criar moléculas prebióticas, as sementes da vida na Terra e possivelmente em outros lugares, os pesquisadores analisaram o papel dos elétrons de baixa energia gerados à medida que a radiação cósmica atravessa partículas de gelo. Suas descobertas também podem servir de base para aplicações médicas e ambientais em nosso planeta.
Kennedy Barnes, estudante universitária, apresentará os resultados da equipe na reunião de outono da American Chemical Society (ACS). A ACS Fall 2024 é um evento híbrido realizado de forma virtual e presencial entre 18 e 22 de agosto, com cerca de 10.000 apresentações sobre diversos temas científicos.
“A primeira detecção de moléculas no espaço foi feita pela estudante do Wellesley College, Annie Jump Cannon, há mais de cem anos”, explica Barnes, que liderou este estudo em Wellesley com seu colega Rong Wu, sob orientação dos professores Christopher Arumainayagam (química) e James Battat (física). Desde a descoberta de Cannon, os cientistas têm se interessado em descobrir como as moléculas extraterrestres se formam. “Nosso objetivo é explorar a importância relativa dos elétrons de baixa energia em comparação aos fótons para iniciar as reações químicas responsáveis pela síntese extraterrestre dessas moléculas prebióticas”, explica Barnes.
Os poucos estudos anteriores sobre essa questão sugeriram que tanto os elétrons quanto os fótons podem catalisar as mesmas reações. No entanto, os estudos de Barnes e seus colegas indicam que as moléculas prebióticas produzidas por elétrons e fótons de baixa energia podem ser significativamente diferentes no espaço. “Nossos cálculos sugerem que o número de elétrons induzidos por raios cósmicos dentro do gelo cósmico pode ser muito maior do que o número de fótons que atingem o gelo”, explica Barnes. “Portanto, é provável que os elétrons desempenhem um papel mais importante que os fótons na síntese extraterrestre de moléculas prebióticas.”
Além do gelo cósmico, a pesquisa sobre elétrons de baixa energia e química de radiação também tem possíveis aplicações na Terra. Barnes e seus colegas recentemente estudaram a radiólise da água e observaram indícios da liberação de peróxido de hidrogênio e radicais hidroperoxílicos estimulados por elétrons, que destroem o ozônio estratosférico e atuam como espécies reativas nocivas de oxigênio nas células.
“Muitos dos nossos resultados sobre a radiólise da água podem ser usados em aplicações médicas e simulações”, compartilha Barnes, que cita como exemplo o uso de radiação de alta energia no tratamento do câncer. “Uma vez, um professor de bioquímica disse que os seres humanos são basicamente sacos de água. Então, outros cientistas estão investigando como os elétrons de baixa energia produzidos na água afetam nossas moléculas de DNA.”
Ela também afirma que as conclusões da equipe se aplicam a esforços de recuperação ambiental, onde águas residuais são tratadas com radiação de alta energia, que gera um grande número de elétrons de baixa energia, responsáveis pela destruição de substâncias químicas perigosas.
No contexto da química espacial, ao tentar entender melhor a síntese de moléculas prebióticas, os pesquisadores não limitaram seus esforços à modelagem matemática; eles também testaram suas hipóteses imitando as condições do espaço no laboratório. Utilizam uma câmara de vácuo ultrarrápido que contém um substrato de cobre ultrapuro que pode ser resfriado a temperaturas ultrabaixas, junto com uma pistola de elétrons que gera elétrons de baixa energia e uma lâmpada de plasma acionada por laser que gera fótons de baixa energia. Os cientistas bombardeiam filmes de gelo em nanoescala com elétrons ou fótons para observar as moléculas resultantes.
“Embora anteriormente tenhamos focado em como essa pesquisa se aplica às partículas submicrométricas de gelo interestelar, ela também é relevante para o gelo cósmico em uma escala muito maior, como a da lua Europa, de Júpiter, que tem uma camada de gelo de 32 quilômetros de espessura”, diz Barnes.
Ela sugere que sua pesquisa ajudará os astrônomos a entender os dados de missões de exploração espacial, como o telescópio espacial James Webb da NASA, bem como a sonda Europa Clipper, cujo lançamento está previsto inicialmente para outubro de 2024. Barnes espera que suas descobertas inspirem outros pesquisadores a incorporar elétrons de baixa energia em seus modelos de astroquímica, simulando o que acontece dentro dos gelos cósmicos.
Barnes e seus colegas também estão modificando a composição molecular dos filmes de gelo e explorando as reações de adição de átomos para verificar se os elétrons de baixa energia podem produzir outras substâncias químicas prebióticas. Este trabalho é realizado em colaboração com pesquisadores do Laboratório de Estudos de Radiação e Matéria em Astrofísica e Atmosferas, na França.
“Há muitas coisas que estamos prestes a aprender, o que considero realmente empolgante e interessante”, diz Barnes, referindo-se ao que ela descreve como uma nova era espacial.
A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation dos EUA, Arnold and Mabel Beckman Foundation, Wellesley College Faculty Awards, bolsas Brachman Hoffman e pela cátedra Nancy Harrison Kolodny ’64.
Um vídeo sobre este tema será publicado na terça-feira, 20 de agosto. Os jornalistas podem acessar os vídeos durante o período de retenção, e, uma vez que o embargo seja levantado, o público também poderá acessar o conteúdo pelas mesmas URLs. Visite o programa da ACS Fall 2024 para obter mais informações sobre esta e outras apresentações científicas intituladas “Síntese extraterrestre de moléculas prebióticas”.
