Scoperte Per La Prima Volta Molecole Di Argon Nella Nebulosa Del Granchio

Crediti dell’immagine: ESA / Herschel / PACS / MESS Key Programme Supernova
 Remnant squadra, NASA, ESA e Allison Loll / Jeff Hester (Arizona State University)

La splendida immagine, che vi propongo, mostra una vista composita della Nebulosa del Granchio (Crab Nebula in lingua inglese), uno dei resti più iconici di supernova nella nostra Via Lattea, regalataci dal Herschel Space Observatory e dal Telescopio Spaziale Hubble.

Herschel è una missione dell'Agenzia spaziale europea (ESA) con importanti contributi della NASA, e Hubble è una missione NASA con importanti contributi dell'ESA.
Herschel è stato lanciato il 14 maggio 2009 ed ha completato le  osservazioni scientifiche il 29 aprile 2013.

Nell’Universo, ogni fine è un nuovo inizio: quando una stella massiccia muore, essa esplode come una spettacolare supernova. Enormi quantità di materia ed energia vengono espulse nello spazio circostante, e il residuo dell'esplosione stessa rimane un centro di attività impressionante per migliaia di anni.
La Nebulosa del Granchio è ciò che rimane di una supernova, che fu osservata nella costellazione del Toro dagli astronomi cinesi nell'anno 1054. In realtà, sono riportate due date, il 4 luglio 1054 e il 17 Aprile 1056, le quali indicano che la "guest star" fu visibile ad occhio nudo per 653 giorni, almeno dalla Cina. L'astronomo/astrologo Yang Wei-Te, vissuto all'epoca, riferisce che, nei suoi primi due mesi, la stella era di colore giallo. Potete consultare i riferimenti storici a questo link.

La pittura rupestre del Chaco Canyon, opera degli indios Anasazi, che ritrae
 la luna assieme alla Supernova del Granchio. Fonte: Wikipedia

Ma torniamo alla nostra Nebulosa, al suo centro rimane una pulsar, stella di neutroni rotante (scoperta nel 1968, è stata la prima pulsar ad essere messa in relazione con i resti di una supernova), che rilascia nella nebulosa flussi di particelle altamente energetiche. 

L'immagine composita combina una nuova visione della Nebulosa, ottenuta da Herschel nel lontano infrarosso, con un'immagine ottica (e quindi a lunghezze d’onda visibili) proveniente dagli archivi NASA/ESA di Hubble.
Le osservazioni di Herschel sono mostrate in rosso e rivelano il bagliore della polvere cosmica presente nella nebulosa. La vista di Hubble, in blu, è stata ottenuta grazie all’utilizzo di tre diversi filtri sensibili alle emissioni di ossigeno e ioni di zolfo, che hanno rilevato tracce di tali elementi nella nebulosa.

Ma veniamo alla scoperta! Un team di astronomi, studiando la Nebulosa del Granchio con  Herschel, ha individuato in questo resto di supernova una quantità di polvere  maggiore del  previsto (circa un quarto della massa del sole).
Le nuove osservazioni hanno evidenziato la presenza di molecole a base di Argon: per la prima volta è stata trovata nello spazio una molecola che è un composto di un gas nobile!
L’Argon è prodotto nelle reazioni nucleari che avvengono durante le esplosioni di supernova, e gli astronomi avevano già individuato questo elemento nella Nebulosa del  Granchio. Tuttavia, è sorprendente che l'Argon reagisca con altri elementi per formare molecole  che sopravvivono nell'ambiente ostile di un resto di supernova, dove un  gas caldo continua ad espandersi a velocità elevate dopo l'esplosione.

Pensate alla  tavola periodica degli elementi chimici come ad un gruppo di persone, di cui una parte svolge un lavoro di squadra ed una parte esigua lavora in solitudine: mentre determinati elementi chimici tendono a reagire più facilmente con altri elementi, formando molecole di composti, alcuni al contrario non partecipano quasi mai alle reazioni chimiche. Elementi “inerti” per eccellenza sono i gas nobili: Elio, Neon, Argon, Kripton, Xeno e Radon.
Il nome di uno di tali gas, Argon, deriva  da un  parola greca che sta ad indicare l’inattività, per sottolineare la sua natura altamente inerte, (ἀργός -όν "argòs -òn",  pigro).
Il suo simbolo è Ar e il suo numero atomico 18. L’Argon è un gas nobile del periodo 3 e costituisce circa lo 0,94% dell'atmosfera terrestre.

Ma i gas nobili non sono del tutto inattivi. Fino al 1962 si riteneva che l'Argon e gli altri gas nobili fossero chimicamente inerti ed incapaci di formare composti; nonostante la loro elevata inerzia, è stato però possibile forzarli a legarsi ad altri atomi. I primi composti di argon sono stati sintetizzati da alcuni ricercatori dell'Università di Helsinki: per irraggiamento ultravioletto di argon congelato, contenente acido fluoridrico, hanno ottenuto il fluoroidruro di argon, HArF.

Le cose risultano, però, più complesse nello spazio. Nel corso dei decenni, gli astronomi hanno individuato atomi e ioni di gas nobili in una varietà di ambienti cosmici, che vanno dal Sistema Solare alle atmosfere delle stelle, dalle dense nebulose al mezzo interstellare diffuso. Ma la ricerca di composti a base di gas nobili non ha avuto successo finora, suggerendo che questi elementi quasi inerti potessero avere difficoltà a reagire con altre specie, nello spazio.

Il nuovo studio, condotto da Michael Barlow dell'University College di Londra, nel Regno Unito, sulla base dei dati di Herschel, ha trovato la prima prova di tale composto nello spazio. I risultati sono pubblicati sulla rivista Science.
Il team di astronomi ha rilevato emissioni di idruro di Argon (ArH+), uno ione molecolare contenente l'argon .
"In un primo momento, la scoperta sembrava bizzarra",commenta Barlow.
"Con il gas caldo ancora in espansione ad alta velocità dopo l'esplosione, un resto di supernova rappresenta un ambiente duro ed ostile, e, quindi, uno dei luoghi in cui meno ci si aspettava di trovare una molecola a base di un gas nobile", aggiunge.

L’idruro di Argon viene prodotto quando gli ioni di argon (Ar+) reagiscono con molecole di idrogeno (H2), ma queste due specie si trovano di solito in  zone differenti  di una nebulosa. Mentre gli ioni si formano nelle regioni più energetiche, dove la radiazione di una stella o di residuo stellare ionizza il gas, le molecole si formano nelle  sacche più dense e fredde del gas, al riparo da questa potente  radiazione.
"Ma ben presto ci siamo resi conto che anche nella Nebulosa del Granchio, ci sono zone dove le condizioni sono adatte a permettere ad un gas nobile  di reagire e combinarsi con altri elementi.
"Lì, nelle regioni di transizione tra gas ionizzato e molecolare, l’idruro di argon può formarsi e sopravvivere", spiega Barlow.

Questa nuova immagine della Nebulosa del Granchio ha rivelato che le regioni, in cui è stato trovato ArH+, presentano anche concentrazioni più elevate sia di Ar+ che di H2 . Lì, gli ioni di Argon possono reagire con le molecole di Idrogeno formando idruro di Argon e Idrogeno atomico.
Nel gas parzialmente ionizzato, che  permea  queste regioni, le molecole si scontrano frequentemente con ioni ed elettroni liberi. Tali collisioni eccitano la struttura molecolare di ArH+ facendolo ruotare; a loro volta, le rotazioni molecolari producono le caratteristiche di emissione rilevate  da Herschel  nello spettro  della Nebulosa del Granchio.

“La scoperta è stata veramente fortuita: stavamo osservando la Nebulosa del Granchio per studiare il suo contenuto di polvere. Ma poi, in cima alla emissione da polvere, abbiamo trovato due righe di emissione mai viste prima", afferma il co-autore Bruce Swinyard, dell’University College di Londra.
L'identificazione di queste linee è stato un compito impegnativo. A tal fine, gli astronomi hanno sfruttato due ampi database di spettri molecolari e, dopo lunghe indagini, hanno associato le  caratteristiche osservate con due tipiche linee emesse  da ArH+ .
«E c'è la ciliegina sulla torta: dalla emissione di una molecola, possiamo determinare l'isotopo degli elementi che la compongono - cosa che non possiamo fare quando osserviamo solo gli ioni", aggiunge Swinyard.

I dati di Herschel indicano  che l’idruro di Argon trovato nella Nebulosa è un composto di un isotopo dell’Argon, Ar-36. Questa è la prima volta che gli astronomi possono identificare la natura isotopica di un elemento in un resto di supernova.
"Trovare che l’Argon nella Nebulosa del Granchio è costituito da Ar-36 non sarebbe sorprendente, perché questo è l'isotopo di Argon dominante in tutto l'Universo.
Ed è anche il principale isotopo di Argon ad essere sintetizzato nelle reazioni nucleari durante le esplosioni di supernova, quindi la sua rilevazione nella Nebulosa del Granchio conferma che questa iconica nebulosa  è stata creata dalla morte esplosiva di una stella massiccia", spiega Barlow.

Gli astronomi stanno progettando ulteriori osservazioni con le altre strutture per cercare nuove righe di emissione nello spettro della Nebulosa del Granchio, possibilmente da molecole contenenti differenti isotopi di argon. L'individuazione di una molecola del genere potrebbe consentire loro di studiare il rapporto dei diversi isotopi prodotti da supernovae e di conoscere meglio le reazioni nucleari che avvengono quando una stella massiccia muore.

"Questo non è soltanto il primo rilevamento di una molecola formata da un gas nobile nello spazio, ma anche una nuova prospettiva sulla Nebulosa del Granchio. Herschel ha misurato direttamente l'isotopo di argon che ci aspettiamo sia prodotto tramite una  nucleosintesi esplosiva, nel collasso del nucleo di una supernova, affinando la nostra comprensione dell'origine di questo resto di supernova", conclude Göran Pilbratt, scienziato del Herschel Project dell'ESA.

I risultati sin qui descritti sono riportati nel paper "Detection of a Noble Gas Molecular Ion, 36ArH+, in the Crab Nebula", di M.J. Barlow et al., pubblicato su Science, 342, 6163, 1343-1345, 13 Dicembre 2013. DOI:10.1126/science.124358213.
Link al paper: http://www.sciencemag.org/content/342/6164/1343.abstract

L'isotopo dell’Argon trovato nella Nebulosa del Granchio  è diverso da quello dominante nell'atmosfera terrestre, Ar-40, che deriva dal decadimento di un isotopo radioattivo del potassio (K-40) presente nelle rocce del nostro pianeta. Con quasi l’1%, l’Argon è il terzo gas più abbondante nell’atmosfera della Terra dopo Azoto e Ossigeno, ed è stato scoperto alla fine del 19° secolo.

Di seguito il video in cui l'astronomo dell'UCL Michael Barlow discute la scoperta dell'Argon nella Crab Nebula da parte del suo team di ricerca.



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Riferimenti
http://sci.esa.int/herschel/53332-herschel-spies-active-argon-in-crab-nebula/
http://spaceinimages.esa.int/Images/2013/12/Crab_Nebula
http://www.nasa.gov/jpl/herschel/crab-nebula-pia17563/#.UqtNmNLuIR0
http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Ar.html#Overview