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El agua es esencial para la vida tal como la conocemos, y su sorprendente abundancia en las frías profundidades del espacio ha intrigado a los científicos durante décadas. Aunque las nubes interestelares son extremadamente frías y poco densas, están llenas de diminutos granos de polvo sólido: partículas que actúan como auténticos laboratorios de química interestelar. Un nuevo estudio desarrollado en nuestro grupo de investigación QUANTUMGRAIN, basado en simulaciones atomísticas avanzadas, revela cómo estos granos, en especial los que contienen hierro, podrían ser «fábricas» clave para producir agua en el universo.

La mayor parte del agua en el espacio se encuentra en forma de hielo, adherida a la superficie de granos de silicato, como escarcha sobre un cristal. Pero ¿cómo se forma? En las duras condiciones del espacio, donde la temperatura puede caer hasta 10 Kelvin (-263 °C) y las densidades muy bajas, reacciones simples en la Tierra pueden ser difíciles. Las reacciones en fase gaseosa no bastan para explicar toda el agua observada. Por ello, se cree que la química en la superficie de los granos es fundamental.

El mecanismo más aceptado para formar agua interestelar es la adición de dos átomos de hidrógeno (H, el elemento más abundante en el Universo) a un átomo de O. Sin embargo, este proceso por sí solo no explica su abundancia, lo que indica que deben existir otras rutas. Nuestra investigación exploró un mecanismo poco estudiado: un átomo de oxígeno (O) reaccionando directamente con una molécula de hidrógeno (H₂, la molécula más abundante en fase gas) sobre la superficie de un grano. El estudio se centró en la olivina, una familia común de silicatos que suele contener hierro. Mediante simulaciones químicas cuánticas, hemos simulado computacionalmente esta reacción en superficies de olivina que contienen Fe²⁺.

La presencia de hierro cambia las reglas del juego. Las simulaciones muestran que los iones Fe²⁺ pueden capturar y retener moléculas de H₂, primer paso para activarlas debilitando el enlace H-H.

La ruta más eficiente comienza cuando el oxígeno se adhiere primero al grano, liberando energía que impulsa el siguiente paso: romper la molécula de H₂. Un átomo de hidrógeno se une al hierro y el otro al marco del silicato. Luego, ambos se desplazan por la superficie hasta encontrarse con el oxígeno, formando finalmente una molécula de agua (H₂O).

Aunque las barreras energéticas son altas, el frío extremo del espacio ofrece un recurso secreto: el efecto túnel cuántico. Este fenómeno permite que partículas ligeras, como el hidrógeno, «atraviesen» las barreras en lugar de superarlas. Los cálculos cinéticos confirman que, gracias al túnel cuántico, este mecanismo es viable durante la vida de las nubes interestelares, que puede durar millones de años. Además, el estudio halló que, aunque el hierro ayuda a almacenar y activar H₂, la ruptura del enlace H-H puede ser más fácil en silicatos ricos en magnesio. Esto sugiere que los silicatos con hierro actúan más como reservorios de hidrógeno, mientras otros sitios facilitan la reacción.
Estos hallazgos no solo profundizan nuestra comprensión sobre el origen del agua en el universo, sino que también abren la puerta a futuros experimentos en laboratorio para poner a prueba esta prometedora receta cósmica.