Bandas interestelares difusas

Las bandas interestelares difusas (BID) son características de absorción que se observan en los espectros de objetos astronómicos de la Vía Láctea y otras galaxias. Se deben a la absorción de luz por el medio interestelar . Se han observado aproximadamente 500 bandas en longitudes de onda ultravioleta , visible e infrarroja . ^{[ 1 ]}

El origen de la mayoría de los DIB sigue siendo desconocido, y las sugerencias comunes apuntan a hidrocarburos aromáticos policíclicos y otras moléculas grandes que contienen carbono . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Solo se ha identificado un portador de DIB: el buckminsterfullereno ionizado (C ₆₀ ⁺ ), que es responsable de varios DIB en el infrarrojo cercano. ^{[ 4 ]} Los portadores de la mayoría de los DIB siguen sin identificarse.

Gran parte del trabajo astronómico se basa en el estudio de los espectros : la luz de los objetos astronómicos dispersada mediante un prisma o, más comúnmente, una red de difracción . Un espectro estelar típico consiste en un continuo que contiene líneas de absorción , cada una de las cuales se atribuye a una transición particular de nivel de energía atómica en la atmósfera de la estrella.

La apariencia de todos los objetos astronómicos se ve afectada por la extinción , la absorción y dispersión de fotones por el medio interestelar . En el caso de las DIB, la absorción interestelar es relevante, ya que afecta predominantemente a todo el espectro de forma continua, en lugar de causar líneas de absorción. Sin embargo, en 1922, la astrónoma Mary Lea Heger ^{[ 5 ]} observó por primera vez una serie de características de absorción con forma de línea que parecían tener un origen interestelar.

Su naturaleza interestelar se demostró por el hecho de que la intensidad de la absorción observada era aproximadamente proporcional a la extinción, y que en objetos con velocidades radiales muy diferentes las bandas de absorción no se veían afectadas por el desplazamiento Doppler , lo que implica que la absorción no ocurría en o alrededor del objeto en cuestión. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} El nombre banda interestelar difusa, o DIB por sus siglas en inglés, se acuñó para reflejar el hecho de que las características de absorción son mucho más anchas que las líneas de absorción normales que se ven en los espectros estelares.

Las primeras bandas de absorción intrínseca (DIB) observadas correspondían a longitudes de onda de 578,0 y 579,7  nanómetros (la luz visible abarca un rango de longitudes de onda de 400 a 700 nanómetros). También se observan otras DIB intensas a 628,4, 661,4 y 443,0  nm. La  DIB de 443,0 nm es particularmente ancha, con  un diámetro de aproximadamente 1,2 nm; las características típicas de absorción estelar intrínseca tienen  un diámetro de 0,1 nm o menos.

Estudios espectroscópicos posteriores , con mayor resolución espectral y sensibilidad, revelaron cada vez más bandas interestelares difusas (DIB); un catálogo de ellas en 1975 contenía 25 DIB conocidas, y una década después, el número conocido se había duplicado con creces. El primer estudio con límite de detección fue publicado por Peter Jenniskens y Xavier Desert en 1994 (véase la figura anterior), ^{[ 9 ]} lo que dio lugar a la primera conferencia sobre bandas interestelares difusas en la Universidad de Colorado en Boulder, del 16 al 19 de mayo de 1994. Hoy en día se han detectado alrededor de 500.

En los últimos años, se han utilizado espectrógrafos de muy alta resolución en los telescopios más potentes del mundo para observar y analizar DIB. ^{[ 10 ]} Las resoluciones espectrales de 0,005  nm son ahora rutinarias utilizando instrumentos en observatorios como el Observatorio Europeo Austral en Cerro Paranal , Chile , y el Observatorio Anglo-Australiano en Australia , y a estas altas resoluciones, se ha descubierto que muchos DIB contienen una subestructura considerable. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

El gran problema de las DIB, evidente desde las primeras observaciones, era que sus longitudes de onda centrales no se correspondían con ninguna línea espectral conocida de ningún ion o molécula , por lo que no se podía identificar el material responsable de la absorción. Se propusieron numerosas teorías a medida que aumentaba el número de DIB conocidas, y determinar la naturaleza del material absorbente (el "portador") se convirtió en un problema crucial en astrofísica .

Un resultado observacional importante es que la intensidad de la mayoría de las bandas de radiación difusas (DIB) no está fuertemente correlacionada entre sí. Esto significa que debe haber muchos portadores, en lugar de uno solo responsable de todas las DIB. También es significativo que la intensidad de las DIB esté ampliamente correlacionada con la extinción interestelar . La extinción es causada por el polvo interestelar ; sin embargo, es poco probable que las DIB sean causadas por granos de polvo.

La existencia de subestructuras en las DIBs respalda la idea de que son causadas por moléculas. La subestructura resulta de las cabezas de banda en el contorno de banda rotacional y de la sustitución isotópica. En una molécula que contiene, por ejemplo, tres átomos de carbono , parte del carbono estará en forma del isótopo carbono-13 , de modo que, si bien la mayoría de las moléculas contendrán tres átomos de carbono-12 , algunas contendrán dos átomos de ^12C y uno ^{de 13C} , muchas menos contendrán uno ^{de 12C} y dos ^{de 13C} , y una fracción muy pequeña contendrá tres moléculas de ^13C . Cada una de estas formas de la molécula creará una línea de absorción a una longitud de onda de reposo ligeramente diferente.

Se cree que las moléculas candidatas más probables para producir DIB son moléculas grandes que contienen carbono, comunes en el medio interestelar. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos , las moléculas de cadena larga de carbono como los poliinos y los fullerenos son potencialmente importantes. ^{[ 6 ] [ 13 ]} Este tipo de moléculas experimentan una desactivación rápida y eficiente al ser excitadas por un fotón, lo que ensancha las líneas espectrales y las hace lo suficientemente estables como para existir en el medio interestelar. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

A partir de 2021La única molécula confirmada como portadora de DIB es el ion buckminsterfullereno , C ₆₀ ⁺ . Poco después de que Harry Kroto descubriera los fullerenos en la década de 1980, propuso que podrían ser portadores de DIB. ^{[ 16 ]} Kroto señaló que la forma ionizada C ₆₀ ⁺ tenía más probabilidades de sobrevivir en el medio interestelar difuso. ^{[ 17 ] [ 16 ]} _{Sin embargo, la falta de un espectro de laboratorio fiable de C 60} ⁺ en fase gaseosa dificultó la comprobación de esta propuesta. ^{[ 18 ]}

A principios de la década de 1990, se obtuvieron espectros de laboratorio de C ₆₀ ^{+ al incrustar la molécula en hielos sólidos, los cuales mostraron bandas intensas en el infrarrojo cercano. En 1994,} Bernard Foing y Pascale Ehrenfreund detectaron nuevas DIB con longitudes de onda cercanas a las de los espectros de laboratorio y argumentaron que la diferencia se debía a un desfase entre las longitudes de onda en fase gaseosa y en fase sólida. ^{[ 19 ]} Sin embargo, esta conclusión fue cuestionada por otros investigadores, como Peter Jenniskens , basándose en múltiples argumentos espectroscópicos y observacionales. ^{[ 20 ]}

En 2015, un grupo liderado por John Maier obtuvo un espectro de fase gaseosa de C ₆₀ ⁺ en laboratorio . ^{[ 21 ]} Sus resultados coincidieron con las longitudes de onda de las bandas observadas por Foing y Ehrenfreund en 1994. ^{[ 21 ]} Poco después, se encontraron tres bandas más débiles de C ₆₀ ^{+ en espectros interestelares, lo que resolvió una de las objeciones iniciales planteadas por Jenniskens. [ 22 ]} Otros investigadores plantearon nuevas objeciones, ^{[ 23 ]} pero para 2019, las bandas de C ₆₀ ⁺ y su asignación habían sido confirmadas por múltiples grupos de astrónomos ^{[ 24 ] [ 25 ]} y químicos de laboratorio. ^{[ 26 ]}

• Lista de moléculas interestelares y circunestelares

• Entrada en la Enciclopedia de Astrobiología, Astronomía y Vuelos Espaciales
• Catálogo de bandas interestelares difusas