O Telescópio Espacial James Webb (JWST) desvendou as profundezas do espaço interestelar com uma clareza sem precedentes, oferecendo à humanidade uma janela de alta resolução para o cosmos. Aproveitando essa nova capacidade, uma equipe internacional de pesquisadores se propôs a investigar como os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) — moléculas orgânicas e elementos-chave na química cósmica — sobrevivem às duras condições do espaço e a descobrir o mecanismo por trás de sua resiliência.

HAPs foram observados em nuvens moleculares frias, onde sofrem bombardeio constante de radiação ultravioleta de alta energia e raios cósmicos. Essas partículas energéticas não apenas ionizam e fragmentam, mas também destroem as moléculas, mantendo-as intactas.

Um novo estudo publicado na Physical Review Letters relata que os PAHs de camada fechada, como o cátion indenil, empregam uma estratégia de sobrevivência surpreendente: em vez de se fragmentarem, dissipam o excesso de energia de forma eficiente por meio de fluorescência recorrente e emissão infravermelha . Esse mecanismo inteligente permite que resistam às condições extremas do espaço com muito mais eficácia do que se acreditava anteriormente.

Os HAPs estão espalhados no espaço interestelar , servindo como um dos maiores reservatórios de carbono da galáxia, contendo de 10% a 25% do elemento essencial para a formação da vida. Essas moléculas possuem assinaturas infravermelhas únicas, detectadas por astronomia de emissão de rádio e infravermelho.

Os dados infravermelhos altamente sensíveis do JWST — juntamente com descobertas anteriores do Telescópio Espacial Spitzer — confirmaram que os PAHs estão disseminados pelo espaço. PAHs de camada fechada foram detectados em nuvens interestelares escuras, enquanto suas contrapartes ionizadas devem estar presentes em regiões mais brilhantes, de formação estelar.

Experimentos laboratoriais anteriores investigando essas moléculas orgânicas mostraram que cátions radicais de PAHs de camada aberta resfriam seu excesso de energia por meio de fluorescência recorrente — um tipo de fluorescência que ocorre quando uma molécula que relaxou para um estado eletrônico inferior absorve calor para ser reexcitada e, em seguida, emite um fóton ao retornar ao seu estado fundamental. Esses estudos, no entanto, analisaram esse fenômeno apenas em espécies radicais e não em PAHs neutros de camada fechada observados pelo JWST.

Neste estudo, os pesquisadores se concentraram no cátion indenil (C?H??), um PAH de camada fechada relevante para nuvens interestelares. Condições interestelares frias foram simuladas usando o DESIREE, um anel de armazenamento de feixe de íons eletrostático em Estocolmo, que pode armazenar íons por horas a temperaturas criogênicas (~13 K) e pressões ultrabaixas. Os íons CH no anel foram energizados internamente para imitar as condições após colisões energéticas.

A equipe então observou o comportamento dos íons — eles perderam energia por fragmentação ou por resfriamento radiativo? Os dados coletados foram então analisados usando o modelo de equações mestras (modelagem teórica) e a dinâmica molecular ab initio (técnica de química computacional).

O resultado indicou que o cátion indenil resfriou eficientemente por meio de uma combinação de emissão de infravermelho e, especialmente, de RF, mesmo quando começou com energias vibracionais de até 5,85 eV, o que está muito acima do seu limiar de dissociação. Verificou-se que a RF era o mecanismo de resfriamento dominante em altas energias internas, muito mais eficaz do que a emissão de infravermelho isoladamente. Além disso, os dados experimentais coincidiram bem com o modelo da equação mestre quando os modelos incluíram RF em vez de excluí-la, reafirmando sua importância no processo de estabilização radiativa.

Os pesquisadores observam que suas descobertas ajudam a explicar por que os PAHs de camada fechada são mais abundantes no espaço do que o esperado — uma percepção essencial para melhorar os modelos de química interestelar.