Metanolo completamente deuterato scoperto per la prima volta nello spazio

Che cosa rende pesante questo metanolo

Il metanolo, CH₃OH, è il più semplice degli alcoli: un atomo di carbonio con tre atomi di idrogeno, legato a un atomo di ossigeno che porta il quarto. Il deuterio è un isotopo dell’idrogeno che nel nucleo ha, oltre al protone, anche un neutrone: pesa quindi il doppio, ma forma le stesse molecole. Le varianti di una molecola che differiscono soltanto per gli isotopi si chiamano isotopologhi.

Del metanolo si conoscevano già quattro forme parzialmente deuterate, con uno, due o tre atomi di deuterio (un singolo deuterio può stare sul carbonio oppure sull’ossigeno). Della forma completamente deuterata gli studi precedenti avevano trovato solo indizi incerti. Ora un gruppo guidato da Arnaud Belloche, dell’Istituto Max Planck per la radioastronomia, annuncia il primo rilevamento sicuro del CD₃OD, che è anche la prima molecola interstellare trovata con quattro atomi di deuterio.

La sorpresa è la sua abbondanza. Nella nostra Galassia ci sono soltanto circa 1,6 atomi di deuterio ogni 100.000 atomi di idrogeno. Se il deuterio fosse distribuito a caso, ci sarebbe meno di una molecola completamente deuterata ogni dieci miliardi di miliardi di molecole di metanolo comune. Intorno a IRAS 4A2 il gruppo ha misurato circa quattro molecole di CD₃OD ogni 10.000.

Come ALMA riconosce una molecola che non può vedere

Nel gas caldo le molecole ruotano, ma solo a certe velocità ben definite. Ogni volta che una molecola passa a una rotazione più lenta, emette un’onda radio a una frequenza precisa. Gli isotopi più pesanti cambiano il modo in cui la molecola ruota, perciò ogni isotopologo ha il suo insieme di frequenze, un’impronta digitale che va prima misurata in laboratorio. Per il CD₃OD queste misure sono state pubblicate nel 2023.

Le osservazioni vengono da COMPASS, un grande programma di ALMA che ha studiato 11 giovani protostelle simili al Sole, cioè stelle ancora in formazione, a frequenze comprese tra 279,0 e 311,7 GHz (lunghezze d’onda di circa un millimetro). ALMA riesce a osservare nel dettaglio la regione entro circa 100 unità astronomiche da ciascuna protostella (100 volte la distanza tra la Terra e il Sole), grande quanto un sistema planetario. In direzione di IRAS 4A2, dieci righe spettrali del CD₃OD erano intense e non si sovrapponevano in modo significativo a quelle di altre molecole: per questo l’identificazione è sicura.

Un secondo studio di COMPASS ha trovato, in 7 delle 11 protostelle, una riga del metanolo a 302,9 GHz amplificata dal gas così come la luce viene amplificata in un laser: un maser. Sei di queste protostelle sono nella fase più precoce, detta Classe 0; nella settima il maser è probabilmente innescato dal flusso di gas espulso da una vicina più massiccia.

Perché questa chimica conta per pianeti e comete

Il metanolo si forma nel ghiaccio che riveste i granelli di polvere: nella fase fredda che precede la nascita della protostella, gli atomi di idrogeno si legano uno alla volta al monossido di carbonio congelato. A temperature così basse la massa in più del deuterio favorisce alcune reazioni, e le molecole finiscono per contenere molto più deuterio di quanto farebbe pensare la sua abbondanza cosmica. La quantità di deuterio nel metanolo conserva quindi la memoria di come si è formato il ghiaccio. Quando la giovane stella riscalda i dintorni, il ghiaccio sublima e libera nel gas il metanolo, che ALMA può così misurare (in IRAS 4A2 il gas è a circa 200 kelvin, −73 °C).

I modelli di questa chimica non reggono il confronto: per le forme con due o tre atomi di deuterio prevedono quantità da dieci a cento volte inferiori a quelle osservate, e il CD₃OD allarga ancora il divario. Secondo gli autori, ai modelli manca un ingrediente fondamentale.

Le comete collegano questa chimica al nostro Sistema solare. Quando le osservazioni ALMA di un altro sistema giovane, IRAS 16293-2422, sono state confrontate con le misure della sonda Rosetta sulla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, le quantità relative di molte molecole sono risultate correlate, pur con una certa dispersione. Questo fa pensare che una parte del ghiaccio delle comete e degli altri mattoni dei pianeti sia un’eredità della fase che IRAS 4A2 sta attraversando oggi.

Dove guardare e che cosa si può vedere

IRAS 4A2 si trova nella parte meridionale di NGC 1333, un giovane ammasso stellare nella costellazione di Perseo, avvolto da una nebulosa a riflessione, cioè da polvere illuminata dalle stelle vicine. Le sue coordinate sono ascensione retta 3h 29m e declinazione +31° 14′; la distanza è di circa 950 anni luce (290 parsec). A metà novembre l’ammasso è in opposizione al Sole e raggiunge il punto più alto a metà notte; da dicembre a febbraio si osserva bene in serata. Chi si trova a sud di circa 59°S non lo vede mai sorgere, e da 35°S sale soltanto a circa 24° sopra l’orizzonte nord.

La protostella non si vede con i telescopi amatoriali: è sepolta nel gas e nella polvere da cui si sta formando, e il suo metanolo compare solo negli spettri a onde millimetriche. Per la nebulosa che la circonda pare che non sia mai stata pubblicata una magnitudine visuale affidabile.