Cómo se forma el carburo de silicio

A veces, las predicciones tardan mucho tiempo en poder confirmarse. Este ha sido el caso de la molécula SiCSi, que cuenta con dos átomos de silicio y un átomo de carbono. En la década de 1990 se predijo que esta molécula, un eslabón perdido en la formación de polvo de carburo de silicio (SiC), debería ser una especie abundante en las regiones internas de envolturas de estrellas evolucionadas ricas en carbono. La confirmación mediante observaciones astronómicas ha debido esperar más de 20 años.

La envoltura de la estrella CW Leonis es, sin duda, una fuente constante de información. Situada a unos 400 años luz de nosotros, esta estrella es una de las fuentes infrarrojas más brillantes del cielo. Debido a su proximidad, IRC+10216, la envoltura circunestelar de CW Leonis, ha sido objeto de muchos estudios porque es excepcionalmente rica en especies moleculares. De hecho, la mitad de las especies interestelares y circunestelares conocidas se han observado en esta envoltura rica en carbono.

Su papel como “informadora”, sumado a una estrecha coordinación entre químicos experimentales y astrónomos, ha hecho que este entorno tan peculiar nos ofrezca datos cada vez más precisos. Un ejemplo de esta sinergia es este trabajo, en el que se ha logrado sintetizar y caracterizar en el laboratorio la molécula SiCSi, lo que ha permitido detectar 112 líneas de esta especie molecular en el espectro de IRC+10216 utilizando datos del radiotelescopio IRAM 30m.

Antes de aventurarse a interpretar las observaciones astronómicas, la astroquímica busca respuestas en los laboratorios. Allí es posible caracterizar especies moleculares y procesos químicos, emulando en cámaras las condiciones dadas en el espacio y dando los primeros pasos para establecer si es o no posible que una cierta especie molecular se encuentre en un entorno concreto.

Tal y como afirma José Cernicharo, investigador del Grupo de Astrofísica Molecular del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, CSIC), en España, e investigador principal de este trabajo, “Pese a que las líneas estaban presentes en las observaciones, no podían ser identificadas, ya que la molécula SiCSi se resistió durante años a ser caracterizada, hasta que, finalmente, investigadores de la Universidad de Harvard consiguieron hacerlo. Lo lograron a partir de unas pocas transiciones en el dominio de microondas. Partiendo de esa información, y gracias a una estrecha colaboración entre astrónomos y espectroscopistas, el número de líneas asignadas a esta molécula fue aumentado hasta el resultado final de 112. Por fin era posible poner un nombre a la molécula responsable de esas líneas halladas en los espectros de IRC+10216, obtenidos por el equipo de astrónomos de Astromol/Nanocosmos”.

Combinando los datos de laboratorio y los datos astronómicos se ha obtenido una caracterización espectroscópica muy precisa, con lo cual se valida, tras más de 20 años de espera, la hipótesis de que esta molécula está presente con una abundancia importante en este tipo de ambientes, donde es muy probable que juegue un papel fundamental en las primeras etapas de formación de granos de polvo de carburo de silicio.

Sabemos que los granos de polvo, un componente ubicuo en el medio interestelar de las galaxias, se sintetizan, principalmente, en dos tipos de fuentes: los vientos internos de las estrellas AGB (rama asintótica de las gigantes) y en la eyección de las estrellas masivas cuando estallan como supernovas.

En las supernovas pueden formarse diferentes tipos de polvo dependiendo del grado de enriquecimiento en elementos pesados, aunque la eficacia de la formación de polvo en supernovas es todavía tema de debate (de hecho, estudios recientes con el telescopio espacial Herschel apuntan a que las masas de polvo formadas son mucho mayores de lo que se pensaba anteriormente).

La formación de polvo puede simplificarse como un proceso de dos etapas: la formación de semillas de nucleación a partir de especies en fase gas compuestas por elementos químicos de un elevado carácter refractario, seguida por el crecimiento del grano mediante la condensación sobre los núcleos formados de compuestos de un cierto carácter refractario. Aún hay muchos misterios en esta secuencia de acontecimientos, empezando por el paso fundamental de la formación de las semillas de la nucleación, en que especies simples en fase gas pasan a agregarse para formar nanopartículas.

A estos granos de polvo se pegan las moléculas, participando en reacciones químicas que, a su vez, darán lugar a nuevas moléculas (es el caso del hidrógeno molecular (H2), la molécula más abundante y que se relaciona directamente con la formación estelar). Por tanto, se cree que los granos de polvo juegan el papel de catalizadores de la química en el medio interestelar, permitiendo la formación de moléculas cada vez más complejas.

Los granos de carburo de silicio (SiC) son abundantes en el espacio. De hecho, su presencia en micrometeoritos es una prueba de la importancia de la química de estos compuestos (SiC, Si2C y SiC2) en el entorno de las estrellas gigantes rojas. Su presencia en estrellas AGB ricas en carbono fue confirmada por primera vez en la década de 1970. Sería lógico pensar que los precursores moleculares a partir de los cuales nacen estos granos de carburo de silicio fueran las propias moléculas en fase gas de carburo de silicio, pero parece ser que no es el caso.

Y es que, en las capas más internas, donde se forma el polvo, la molécula más abundante que contiene enlaces Si−C no es el propio carburo de silicio, sino que son el SiC2 y la recién descubierta SiCSi. De hecho, la molécula de carburo de silicio (SiC) en fase gas se ha detectado en las regiones externas de la envoltura de IRC +10216 (y no en las internas).

Este estudio ha demostrado que la molécula SiCSi se concentra alrededor de la estrella, en la región de formación del polvo, y que su abundancia es similar a la de SiC2. Ambas moléculas, por tanto, deben jugar un papel clave en la formación de granos de polvo de carburo de silicio (SiC). Además, se ha constatado que la abundancia de SiCSi disminuye a medida que nos alejamos de la estrella, lo cual sugeriría que estas moléculas podrían estar incorporándose progresivamente a los granos de SiC a medida que pasan a un entorno más frío.

Para restringir mejor la variación de la abundancia de SiCSi en las capas más internas de las envolturas de estrellas evolucionadas ricas en carbono, será necesario llevar a cabo observaciones interferométricas de alta resolución. Tal vez, con más datos sobre esta molécula, podamos dibujar con más claridad el camino de la formación de los granos de polvo compuestos por carburo de silicio y, en general, de los granos de polvo que pueblan el medio interestelar y que son tan importantes en el proceso de formación de estrellas y planetas. (Fuente: ASTROMOL)