Capítulo 12 de 15
Moléculas e vida
Cada gás absorve nos seus próprios comprimentos de onda. A forma de uma molécula define como vibra, e as suas vibrações definem onde absorve no infravermelho. Nenhum gás isolado prova a existência de vida; uma bioassinatura precisa de contexto.
Ilustração
Uma molécula com N átomos tem 3N − 6 modos de vibrar (3N − 5 se for linear): a água tem três, o dióxido de carbono quatro (a sua flexão surge duas vezes, em ângulos retos), o metano nove. Um modo só absorve luz infravermelha se alterar o dipolo da molécula. É por isso que a elongação simétrica do CO₂ (7,50 µm), a elongação do O₂ e duas das quatro fundamentais do metano são silenciosas no infravermelho. As bandas produzidas pelos modos são as que o capítulo Ler atmosferas assinala: as duas elongações da água a 2,66 e 2,73 µm produzem a sua banda de 2,7 µm, o ν₃ do metano a banda de 3,3 µm, a elongação assimétrica do CO₂ a banda de 4,26 µm e a elongação do CO a banda de 4,67 µm.
Posições das bandas: as frequências fundamentais do NIST CCCBDB usadas no atlas, λ = 10⁴/ν̃. Os deslocamentos são esboços corretos quanto à simetria, com o centro de massa fixo e sem rotação líquida, e não um cálculo de campo de forças. Em cada modo, o átomo que mais se move oscila 0,2 Å, e o palco indica quanto isso exagera o seu movimento de ponto zero, o deslocamento quadrático médio obtido de ħ/2ω à frequência do modo: para os hidrogénios da água em ν₁ é 0,047 Å, pelo que são desenhados ×4. O tempo é abrandado 10¹³ a 10¹⁴ vezes, e o palco indica o fator para cada modo.
H₂O Água
- Geometria
- angular, ligação 0,958 Å, ângulo 104,48° (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 1,4, 1,9, 2,7 (fundamentais 2,66 e 2,73), 6,27
- Vibrações
- ν₁ symmetric stretch · 2.73 µm · infrared-active · drawn ×4 · the 2.7 µm band in Reading atmospheres ›
- Flexão ν₂ · 6,27 µm · ativa no infravermelho · desenhada ×3 · além da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- ν₃ asymmetric stretch · 2.66 µm · infrared-active · drawn ×4 · the 2.7 µm band in Reading atmospheres ›
- Visto por
- HST/WFC3 perto de 1,4 µm; JWST NIRISS, NIRSpec, MIRI
- Deteções de exoplanetas
- HD 209458 b e XO-1 b com WFC3 (Deming et al. 2013)
- WASP-39 b com o JWST (JWST ERS Team 2023)
- Porque é importante
- A molécula mais comum nas atmosferas de planetas quentes; define a forma da maioria dos espectros.
- Sem vida?
- Produzido em todo o lado por química comum e libertação de gases. Não é uma bioassinatura.
CO₂ Dióxido de carbono
- Geometria
- linear, ligação 1,162 Å (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 4,26 (muito forte), 15,0; o estiramento simétrico a 7,50 µm é inativo no IV
- Vibrações
- ν₁ estiramento simétrico · 7,50 µm · silencioso no infravermelho (o dipolo não muda) · desenhado ×10 · fora da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- Flexão ν₂ (duas, em ângulos retos) · 15,00 µm · ativa no infravermelho · desenhada ×5 · além da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- ν₃ asymmetric stretch · 4.26 µm · infrared-active · drawn ×10 · the 4.26 µm band in Reading atmospheres ›
- Visto por
- JWST NIRSpec G395H/PRISM (4.3 µm), MIRI (15 µm)
- Deteções de exoplanetas
- WASP-39 b, 26σ at 4.3 µm (JWST ERS Team 2023)
- K2-18 b, 3σ (Madhusudhan et al. 2023)
- Porque é importante
- Indica o conteúdo em metais e a química do planeta; um gás de contexto para qualquer alegação de bioassinatura.
- Sem vida?
- O vulcanismo e a termoquímica produzem-no facilmente.
CO Monóxido de carbono
- Geometria
- diatómica, ligação de 1,128 Å (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 4,67 fundamental
- Vibrações
- ν stretch · 4.67 µm · infrared-active · drawn ×10 · the 4.67 µm band in Reading atmospheres ›
- Visto por
- JWST NIRSpec; espectrógrafos terrestres de alta resolução perto de 2,3 µm
- Deteções de exoplanetas
- HD 209458 b, com o seu movimento orbital (Snellen et al. 2010)
- Porque é importante
- Com CO₂ e H₂O, fixa o equilíbrio carbono-oxigénio das atmosferas quentes.
- Sem vida?
- Fotólise de CO₂ e termoquímica quente; frequentemente interpretado como um sinal contra a vida, não a favor.
CH₄ Metano
- Geometria
- tetraédrica, ligação 1,087 Å, ângulo 109,47° (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 1.65, 2.4, 3.3 (ν₃ 3.31), 7.66
- Vibrações
- ν₁ estiramento simétrico · silencioso no infravermelho (o dipolo não muda) · sem comprimento de onda no atlas
- flexão ν₂ (duas) · silenciosa no infravermelho (o dipolo não se altera) · sem comprimento de onda no atlas
- ν₃ asymmetric stretch (three) · 3.31 µm · infrared-active · drawn ×6 · the 3.3 µm band in Reading atmospheres ›
- ν₄ flexão assimétrica (três) · 7,66 µm · ativa no infravermelho · desenhada ×4 · fora da janela de 0,5–5,1 µm de Leitura de atmosferas
- Visto por
- JWST NIRSpec, NIRISS, MIRI
- Deteções de exoplanetas
- WASP-80 b (Bell et al. 2023)
- K2-18 b, 5σ (Madhusudhan et al. 2023)
- Porque é importante
- Com O₂ forma o par clássico em desequilíbrio que uma biosfera poderia manter.
- Sem vida?
- Serpentinização de rochas ultramáficas (a principal fonte abiótica na Terra atualmente) e termoquímica em atmosferas frias de H₂.
O₂ Oxigénio
- Geometria
- diatómica, ligação de 1,208 Å (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 0,76 (banda A), 0,69, 0,63; pares O₂–O₂ a 1,06 e 1,27; a fundamental vibracional a 6,43 µm é inativa no IV
- Vibrações
- Estiramento ν · 6,43 µm · inativo no infravermelho (o dipolo não se altera) · desenhado ×11 · além da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- Visto por
- Luz refletida (futuro HWO); alta resolução a partir do solo a 0,76 µm
- Deteções de exoplanetas
- Nenhum em exoplanetas até agora.
- Porque é importante
- O gás de bioassinatura mais proeminente da Terra, mas só significativo em contexto.
- Sem vida?
- Fotólise do CO₂ em torno de algumas estrelas, ou escape maciço de hidrogénio após a perda de água.
O₃ Ozono
- Geometria
- angular, ligação 1,278 Å, ângulo 116,8° (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 0,25 (UV), 0,5–0,7 (Chappuis), 9,65 (a mais forte no IV médio); fundamentais 9,01, 9,60 e 14,2
- Vibrações
- ν₁ estiramento simétrico · 9,01 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×10 · fora da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- Flexão ν₂ · 14,20 µm · ativa no infravermelho · desenhada ×9 · além da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- Estiramento assimétrico ν₃ · 9,60 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×8 · para além da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- Visto por
- HWO no UV/visível; missões no IV médio, como LIFE, a 9,6 µm
- Deteções de exoplanetas
- Nenhum em exoplanetas até agora.
- Porque é importante
- Um traçador sensível de O₂, visível mesmo quando o próprio O₂ é difícil de ver.
- Sem vida?
- Fotoquímica a partir de O₂ abiótico, favorecida em torno de algumas anãs M e F.
N₂O Óxido nitroso
- Geometria
- linear, ligação 1,128 Å (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 3.7, 4.5, 7.8, 8.6, 17
- Vibrações
- Estiramento N–N, sobretudo · 4,50 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×12 · não desenhado em Reading atmospheres
- Estiramento N–O, sobretudo · 7,78 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×9 · além da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- flexão (duas, em ângulos retos) · 17,00 µm · ativa no infravermelho · desenhada ×5 · fora da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- Visto por
- JWST MIRI; LIFE
- Deteções de exoplanetas
- Nenhum em exoplanetas até agora.
- Porque é importante
- Produzido pela vida na Terra, com poucas fontes abióticas a esse nível.
- Sem vida?
- Fulgurações, partículas energéticas e relâmpagos; estes produzem muito mais NOₓ do que N₂O, o que é diagnóstico.
NH₃ Amoníaco
- Geometria
- piramidal, ligação 1,012 Å, ângulo 106,67° (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 2.90, 3.00, 6.15, 10.5
- Vibrações
- Estiramento simétrico ν₁ · 3,00 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×5 · não desenhado em Ler atmosferas
- guarda-chuva ν₂ · 10,50 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×3 · fora da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- ν₃ estiramento assimétrico (dois) · 2,90 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×4 · não desenhado em Ler atmosferas
- ν₄ flexão assimétrica (duas) · 6,15 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×3 · fora da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- Visto por
- JWST MIRI (10.5 µm), NIRSpec
- Deteções de exoplanetas
- Nenhum em exoplanetas até agora.
- Porque é importante
- Abundante em planetas gigantes frios; a sua depleção tem sido usada para inferir calor interno.
- Sem vida?
- Termoquímica nas profundezas de atmosferas de hidrogénio; destruído rapidamente pela UV.
PH₃ Fosfina
- Geometria
- piramidal, ligação 1,421 Å, ângulo 93,3° (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 4,30, 8,94, 10,1; a alegação sobre Vénus usou uma linha milimétrica a 267 GHz
- Vibrações
- Estiramento simétrico ν₁ · 4,30 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×4 · não desenhado em Ler atmosferas
- guarda-chuva ν₂ · 10,10 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×3 · fora da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- ν₃ estiramento assimétrico (dois) · 4,30 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×3 · não desenhado em Ler atmosferas
- ν₄ flexão assimétrica (duas) · 8,94 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×2 · fora da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- Visto por
- JWST MIRI; ALMA e JCMT para Vénus
- Deteções de exoplanetas
- Nenhum em exoplanetas até agora.
- Porque é importante
- Proposto como bioassinatura para planetas rochosos, onde é difícil de produzir sem vida.
- Sem vida?
- Química profunda e quente em planetas gigantes; de resto, considera-se difícil de produzir abioticamente em mundos rochosos (Bains et al. 2021).
DMS Sulfureto de dimetilo
- Geometria
- dms, ligação 1,802 Å, ângulo 98,9° (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 3,3–3,4 (elongações C–H), 6–7, ≈10, ≈15
- Visto por
- JWST MIRI LRS; NIRSpec (3,3 µm sobrepõe-se ao metano)
- Deteções de exoplanetas
- K2-18 b: provisório e contestado (ver abaixo) (Madhusudhan et al. 2025)
- Porque é importante
- Na Terra é produzido quase só pela vida marinha.
- Sem vida?
- Poucas fontes abióticas conhecidas na Terra atual; rapidamente decomposto pela luz estelar.
SO₂ Dióxido de enxofre
- Geometria
- angular, ligação 1,432 Å, ângulo 119,5° (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- ≈4,05 (banda de combinação), 7,34, 8,69, 19,3
- Vibrações
- ν₁ estiramento simétrico · 8,69 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×10 · fora da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- Flexão ν₂ · 19,30 µm · ativa no infravermelho · desenhada ×7 · além da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- Estiramento assimétrico ν₃ · 7,34 µm · ativo no infravermelho · desenhado ×13 · para além da janela de 0,5–5,1 µm de Ler atmosferas
- Visto por
- JWST NIRSpec G395H/PRISM, MIRI LRS
- Deteções de exoplanetas
- WASP-39 b: SO₂ fotoquímico (Tsai et al. 2023)
- WASP-39 b no infravermelho médio (Powell et al. 2024)
- Porque é importante
- O primeiro produto fotoquímico observado numa atmosfera de exoplaneta: a luz estelar a impulsionar a química.
- Sem vida?
- Fotoquímica e vulcanismo.
Na Sódio
- Geometria
- um átomo (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 0,589 (linhas D, 589,0 e 589,6 nm)
- Visto por
- Transmissão ótica (HST, alta resolução a partir do solo)
- Deteções de exoplanetas
- HD 209458 b: a primeira atmosfera de um exoplaneta (Charbonneau et al. 2002)
- Porque é importante
- Previsto por Seager & Sasselov 2000 e a primeira atmosfera alguma vez detetada.
- Sem vida?
- Sódio atómico em atmosferas quentes; não é uma bioassinatura.
K Potássio
- Geometria
- um átomo (CCCBDB)
- Bandas (µm)
- 0,767 (766,5 e 769,9 nm)
- Visto por
- Transmissão ótica
- Deteções de exoplanetas
- XO-2 b (Sing et al. 2011)
- Porque é importante
- Com o sódio, um indicador das nuvens e da temperatura em gigantes quentes.
- Sem vida?
- Tal como o sódio; não é uma bioassinatura.
Lista de verificação de bioassinaturas
- Significância da deteção. Quantos sigma, a partir de quantas análises independentes?
- Contexto. A estrela, a temperatura do planeta e os outros gases presentes (Meadows et al. 2018).
- Desequilíbrio. Gases que, sem uma fonte, reagiriam até desaparecer, como O₂ com CH₄ (Krissansen-Totton et al. 2018).
- Fontes abióticas excluídas. Todas as formas não vivas de produzir o gás, verificadas (Schwieterman et al. 2018; Catling et al. 2018).
Nenhum gás passou esta lista de verificação em nenhum planeta. Não foi detetada vida em nenhum lugar além da Terra.
Fosfina em Vénus: contestada
2020: fosfina reportada nas nuvens de Vénus a partir do JCMT e do ALMA (Greaves et al. 2020). Reanálises não encontraram nenhuma deteção significativa (Snellen et al. 2020; Villanueva et al. 2021), com uma resposta da equipa original (Greaves et al. 2021). Ainda em disputa.
DMS em K2-18 b: provisório, debatido
2023: metano e CO₂ numa atmosfera rica em H₂, com "potenciais sinais" de DMS (Madhusudhan et al. 2023). 2025: uma característica MIRI de ~3σ compatível com DMS e/ou DMDS (Madhusudhan et al. 2025). Análises independentes encontraram evidência insuficiente (Schmidt et al. 2025; Luque et al. 2025). Não estabelecido.