"Il nostro team cerca di capire quali molecole sono presenti nelle regioni dello spazio dove prima o poi prenderanno forma le stelle e i sistemi solari", spiega nel comunicato Zachary T.P. Fried, uno studente laureato del gruppo McGuire e autore principale della pubblicazione uscita sul The Astrophysical Journal Letters. "Questo ci permette di ricostruire come la chimica evolve insieme al processo di formazione di stelle e pianeti. Lo facciamo osservando gli spettri rotazionali delle molecole, i modelli unici di luce che emettono mentre cadono nello spazio".

La spettroscopia rotazionale (o spettroscopia a microonde) riguarda la misurazione delle transizioni energetiche tra stati rotazionali quantizzati di molecole in fase gassosa. 
La spettroscopia molecolare è simile a quella atomica ma è più complessa perché l'energia del sistema non dipende solamente dalle transizioni elettroniche da un orbitale all'altro ma anche dagli stati vibrazionali e rotazionali della molecola. Quando una molecola (o atomo) passa da un certo stato energetico a uno stato inferiore, il surplus di energia viene emesso sotto forma di un fotone avente una precisa frequenza che può essere registrata. Questa tecnica, applicata ad ambienti complessi come l'atmosfera o il mezzo interstellare, necessita di una base di misurazioni ottenute in laboratorio su costanti rotazionali e parametri spettroscopici.

"Questi modelli sono impronte digitali (codici a barre) delle molecole. Per rilevare nuove molecole nello spazio, dobbiamo prima avere un'idea di quale molecola vogliamo cercare, poi possiamo registrarne lo spettro in laboratorio qui sulla Terra e, infine cercare quello spettro nello spazio usando i telescopi".

Il gruppo di McGuire ha iniziato a utilizzare l’apprendimento automatico per scremare le molecole target da cercare. Nel 2023, uno di questi modelli ha suggerito una molecola nota come 2-metossietanolo.


Lavoro preliminare

"Ci sono un certo numero di molecole 'metossi' nello spazio, come il dimetil etere, il metossimetanolo, l'etil-metil-etere e il formiato di metile ma il 2-metossietanolo sarebbe il più grande e complesso mai visto", afferma Fried. Il gruppo "metossi" (o metossile) si fa riferimento al gruppo funzionale composto da un gruppo metile legato all'ossigeno.

Per rilevare questa molecola utilizzando le osservazioni del radiotelescopio, il gruppo ha prima dovuto misurare e analizzare il suo spettro rotazionale sulla Terra, utilizzando i laboratori dell’Università di Lille (Lille, Francia), del New College of Florida (Sarasota, Florida) e del laboratorio McGuire del MIT.

Quindi, i dati raccolti, dalle microonde al sub-millimetro (da 8 a 500 gigaHertz circa), hanno permesso di ricercare la molecola utilizzando le osservazioni ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) verso due regioni separate di formazione stellare: NGC 6334I e IRAS 16293-2422B.

"Alla fine, abbiamo osservato 25 linee rotazionali di 2-metossietanolo che si allineavano con il segnale molecolare osservato verso NGC 6334I (il codice a barre corrispondeva), risultando così in un rilevamento sicuro del 2-metossietanolo in questa fonte", afferma Fried. "Questo ci ha permesso di derivare i parametri fisici della molecola verso NGC 6334I, come la sua abbondanza e temperatura di eccitazione. Ha anche consentito di indagare sui possibili percorsi di formazione chimica da precursori interstellari noti".

Scoperte molecolari come questa aiutano i ricercatori a comprendere meglio lo sviluppo della complessità molecolare nello spazio durante il processo di formazione stellare. Il 2-metossietanolo, un alcol nocivo per l'uomo che contiene 13 atomi, è piuttosto grande per gli standard interstellari: finora, solo sei specie più grandi di 13 atomi sono state rilevate al di fuori del Sistema Solare, molte dal gruppo di McGuire, e tutte esistenti come strutture ad anello.

"Le osservazioni continue di grandi molecole e le successive derivazioni della loro abbondanza ci permettono di migliorare la nostra conoscenza dell'efficienza con cui possono formarsi grandi molecole e mediante quali reazioni specifiche possono essere prodotte", afferma Fried.

"Inoltre, dal momento che abbiamo rilevato questa molecola in NGC 6334I ma non in IRAS 16293-2422B, ci è stata offerta un'opportunità unica di esaminare come le diverse condizioni fisiche di queste due fonti potrebbero influenzare la chimica che può verificarsi".