Una instalación del CSIC única en el mundo revela cómo se forma el polvo cósmico de las estrellas gigantes rojas

Un estudio encabezado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), organismo dependiente del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, ha logrado probar la función decisiva que desempeña el hidrógeno en la formación del polvo cósmico en gigantes rojas, estrellas de masa baja o intermedia que se encuentran en la fase final de su vida. La investigación, cuyos resultados presentan relevantes aplicaciones en el campo de la astrofísica, ha sido publicada en la revista Nature Astronomy. Las conclusiones se han alcanzado gracias a la máquina STARDUST, una instalación singular y única en el mundo, concebida para generar análogos de polvo cósmico bajo condiciones controladas.

«El polvo cósmico es uno de los ingredientes fundamentales del universo», explica José Ángel Martín-Gago, director del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y uno de los investigadores principales del trabajo. Aunque a primera vista pueda considerarse un elemento secundario, «estas diminutas partículas sólidas desempeñan un papel crucial en la evolución de galaxias, en la formación de estrellas y planetas y en la química del medio interestelar», añade Gonzalo Santoro, también autor principal del estudio e investigador en el Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC).

Los autores del trabajo señalan que, a pesar de su importancia, «el mecanismo atomístico en la nanoescala que conduce a la formación de estos granos sigue siendo, en gran medida, un problema abierto en astrofísica». Sí se sabe, en cambio, dónde se genera la mayor parte de ese polvo cósmico: en las atmósferas de estrellas evolucionadas ricas en carbono, conocidas habitualmente como gigantes rojas. «En estos entornos se forman granos de polvo que, en el tipo de estrella que nosotros simulamos en el laboratorio, están compuestos principalmente por carbono amorfo y carburo de silicio», precisa Santoro.

La investigación, liderada por el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid y el Instituto de Estructura de la Materia, ha contado asimismo con la participación de varios centros del CSIC: el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros y el Instituto de Física Fundamental. También han colaborado el instituto francés IRAP-CNRS y la Universidad de Toulouse.

Para abordar este interrogante, el estudio ha planteado una estrategia que combina astroquímica experimental, espectroscopía, microscopía electrónica y modelización teórica. Uno de los aspectos más destacados del trabajo es que los experimentos se llevaron a cabo en las instalaciones del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid mediante la máquina STARDUST, una infraestructura singular sin equivalente en el mundo, diseñada para reproducir en laboratorio las condiciones propias de las atmósferas de las gigantes rojas con un nivel de control sin precedentes.

De este modo, los investigadores han conseguido recrear en el laboratorio algunas de las condiciones químicas presentes en las capas internas de las envolturas circunestelares de estrellas ricas en carbono. «Hemos investigado la interacción entre carbono atómico, silicio atómico e hidrógeno molecular, tres de las especies más abundantes en estas estrellas», continúa Martín-Gago. Con STARDUST, el equipo generó nanopartículas similares a las que se originan durante las primeras fases de crecimiento del polvo en el espacio. Después, al analizarlas mediante técnicas de microscopía electrónica y espectroscopía, observaron la formación de nanopartículas de carburo de silicio parcialmente hidrogenado, junto con partículas de carbono amorfo e incluso silicio hidrogenado.

La conclusión más significativa del estudio es la demostración del papel del hidrógeno como «promotor de la formación de granos de carburo de silicio» continúa Santoro. El trabajo muestra que, cuando la densidad de hidrógeno molecular es elevada, el carbono y el silicio interactúan de forma mucho más intensa que en ausencia de hidrógeno, ya que este elemento pone en marcha una cadena de reacciones químicas.

La investigación también confirma que la molécula de dicarburo de silicio (SiC2), ya observada en gigantes rojas, actúa como molécula precursora del polvo cósmico de carburo de silicio, una hipótesis que hasta ahora permanecía en el terreno de la especulación, según apuntan los investigadores. José Ignacio Martínez, también del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid y participante en el trabajo, explica que, además de los experimentos, ha sido fundamental la modelización teórica del proceso, porque ha permitido comprender el papel concreto del hidrógeno.

Este hallazgo tiene notables implicaciones astrofísicas. Observaciones astronómicas anteriores habían detectado que esas moléculas de dicarburo de silicio disminuían a medida que se formaban los granos de polvo. Ahora, el estudio propone una explicación: que esta molécula «se incorpora eficientemente al material sólido».

Más allá de su evidente interés para la astrofísica, el equipo de STARDUST subraya el valor del avance alcanzado. «el trabajo ilustra cómo la astroquímica de laboratorio permite conectar procesos nanoscópicos con fenómenos cósmicos a gran escala», celebra Martín-Gago. En la misma línea, los investigadores concluyen que «La eficiente combinación de experimentos controlados, técnicas avanzadas de caracterización y modelización teórica abre nuevas vías para comprender cómo se forman los granos de polvo que, millones de años después, acabarán formando parte de planetas, meteoritos o incluso de la materia que compone nuestro propio sistema solar».