Primera observación de la química en acción en la atmósfera de Titán

Observaciones con el telescopio espacial James Webb han detectado por primera vez el radical metilo (CH3) en la atmósfera de Titán, la luna de Saturno con química activa, nubes y lluvias de metano.

"La detección directa del CH3 nos permite validar lo que los modelos químicos llevaban tiempo prediciendo: que la rica química orgánica de Titán comienza con unos pocos radicales sumamente reactivos que ahora podemos observar", explica en un comunicado Manuel López Puertas, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalicía (IAA-CSIC) que participó en el estudio.

El trabajo también presenta otros resultados reveladores, como un perfil completo del monóxido de carbono (CO) en la atmósfera de Titán o los primeros indicios de convección de nubes en su hemisferio norte-donde actualmente es verano-, sobre una región rica en lagos y mares. Los resultados se han publicado en la revista Nature Astronomy.

El metano (CH4) es el motor principal de la actividad química en Titán. En su atmósfera, el metano se descompone por efecto de la luz solar o por el impacto de electrones energéticos procedentes de la magnetosfera de Saturno. Estos fragmentos de metano pueden luego reaccionar entre sí o con otras moléculas para formar compuestos más complejos, como el etano (C2H6) y otras moléculas orgánicas que podrían llegar a depositarse en la superficie.

Los datos del instrumento MIRI (Mid-Infrarred Instrument) del telescopio espacial James Webb han aportado una pieza clave para comprender la compleja química de Titán: la primera detección directa del radical metilo (CH3) en su atmósfera. Este tipo de molécula, conocida como "radical" porque contiene un electrón libre no enlazado químicamente, se forma cuando el metano se fragmenta. "Su detección permite observar por primera vez la química en acción en la atmósfera de Titán, no solo los compuestos de partida ni los productos finales, sino también las etapas intermedias del proceso", puntualiza Manuel López Puertas (IAA-CSIC).

Además de revelar cómo se construyen los compuestos orgánicos en la atmósfera, esta química basada en hidrocarburos tiene implicaciones importantes para la evolución de Titán a largo plazo. Cuando el metano se descompone en las capas altas de la atmósfera, parte de ese gas se transforma en otras moléculas que, con el tiempo, se depositan en la superficie en distintas formas químicas. Al mismo tiempo, parte del hidrógeno que se libera en el proceso escapa al espacio. Como resultado, el metano se irá agotando con el tiempo, a menos que exista alguna fuente interna que lo reponga.

"En Titán, el metano es un recurso que se está consumiendo. Puede que se esté reponiendo desde el interior, filtrándose lentamente desde la corteza durante miles de millones de años. Pero si no es así, con el tiempo desaparecerá, y Titán acabará transformándose en un mundo de polvo y dunas", advierte Conor Nixon, investigador del Centro Goddard de Vuelos Espaciales (CVEG) de la NASA y autor principal del estudio.

Otro de los hallazgos más reveladores se ha logrado gracias al instrumento NIRSpec del JWST, un espectrógrafo de infrarrojo cercano con el que se ha podido medir la concentración de monóxido de carbono (CO) en la atmósfera de Titán desde la superficie hasta la alta atmósfera (sobre los 800 km de altitud). Las observaciones extienden los perfiles anteriores, limitados a 450 km, y confirman que la concentración de CO se mantiene constante en todas las capas. Así, el investigador del IAA-CSIC Manuel López Puertas, destaca que "el hecho de que el CO se mantenga constante desde la troposfera hasta la exosfera nos indica que el oxígeno que contiene no se genera en Titán, sino que llega desde fuera".

Por otro lado, el CO contiene la mayor parte del oxígeno presente en la atmósfera de Titán, dominada por nitrógeno, carbono e hidrógeno, por lo que su origen es un misterio. Actualmente se sospecha que este oxígeno pueda proceder de flujos de OH/H2O (radical hidroxilo/agua), y oxígeno atómico (O), compuestos que contienen oxígeno generado por polvo interplanetario y por la actividad de Encelado, otra de las lunas de Saturno. Este trabajo también ha permitido medir la concentración de CO2 mediante un modelo avanzado, confirmando medidas previas de la misión Cassini-Huygens, pero dejando sin resolver el enigma del ciclo completo del oxígeno en Titán.

Ambos hallazgos -la detección del CH3 y el perfil completo del CO- ofrecen una nueva ventana a la evolución atmosférica de Titán y a los procesos que podrían haber dado forma a entornos químicos similares al de la Tierra primitiva.

En Titán, el metano desempeña un papel meteorológio parecido al que tiene el agua en la Tierra. Se evapora desde lagos y mares, asciende en la atmósfera, se condensa en forma de nubes y puede volver a caer como una lluvia fría y aceitosa sobre sobre una superficie sólida, donde, por las temperaturas extremadamente frías (-180 °C), el hielo de agua alcanza la dureza de una roca.

El equipo observó Titán en dos campañas -noviembre de 2022 y julio de 2023- combinando datos del JWST con los del observatorio terrestre W. M. Keck. Se detectaron nubes en latitudes medias y altas del hemisferio norte y comprobaron que estas nubes parecían ascender con el paso de los días. Aunque ya se había documentado convección de nubes en el hemisferio sur, es la primera vez que se observa este fenómeno en el verano del hemisferio norte.

"Este hallazgo es especialmente relevante porque la mayoría de los lagos y mares de Titán se concentran en su hemisferio norte, y la evaporación de estas masas líquidos constituye una fuente clave de metano atmosférico", apunta el primer autor del trabajo.