Hijos de las estrellas

Muy buenas de nuevo!

No sé si os suena la frase “Somos hijos de las estrellas”. ¿La habéis oído alguna vez? Posiblemente la hayáis leído en alguna revista, oído en la radio o televisión, o que simplemente os suene porque es algo que “se dice”. Aunque suene un poco esotérico o místico-misterioso, en este post os voy a intentar aclarar que desde un punto de vista científico, realmente somos “hijos” de las estrellas. Se trata de un post larguito, o se que si lo queréis leer hasta el final os pido un poquito de paciencia. De todos modos espero que os guste. Vamos allá!

* BOOM!!! Y todo empieza...

Así es. La gran creación.

Dependiendo de donde vivamos, la creación del universo nos es revelada de un modo u otro. En nuestra civilización cristiana occidental, siempre se nos ha explicado que Dios creó todo lo que vemos en una semana. Así fue su semana laboral de creación:

Día Uno - Noche y Día

Día Dos - Cielo y Mar

Día Tres - Árboles

Día Cuatro - Sol y Día de la Luna

Día Cinco - Pescado y Aves

Día Seis - Hombre y animales

Día Siete - Descanso

(Información extraída de: http://www.bibleview.org/es/Biblia/Genesis/Creo/)

No entraremos mucho en detalles acerca de esta teoría, pero hay un dato anecdótico que me asombra bastante. Si el cuarto día Dios creó el pescado y las aves y el quinto día creó los animales...¿en qué día creo las merluzas y los pollos? A lo mejor salieron repetidos. En fin, quizás para nosotros los cristianos el pescado y las aves pertenecen a otro reino. Por otra parte, creo que el día Cuatro lo que creó fue el Sol y la Luna, quizás se deba a un error de la página arriba comentada. O no.

Teorías de la creación hay casi tantas como religiones. Algunas que confirman que el universo no tiene más de 6.000 años (como la afirma la Biblia) y otras que dicen que este existe desde hace miles de millones de años. ¿Cual de ellas es la más aceptada?

Hoy en día sigue habiendo mucha gente que cree en un origen “místico” o “divino” del universo, pero desde hace un tiempo viene imponieńdose una teoría basada en evidencias científicas. Esta teoría es la llamada teoría del “Big Bang” (“Gran Explosión” en inglés). Debe su nombre a un científico que curiosamente estaba en contra de ella. Se llamaba Fred Hoyle y en una entrevista en la BBC usó la expresión “Big Bang” para darle un nombre...pegón, diría yo. Aun así, la idea de un universo primigenio y cambiante, fue propuesta por otros dos científicos: Alexander Friedmann y Georges Lamaître. Me ha parecido relevante poner los nombres de ellos porque el último, Lamaître, era un sacerdote católico y, por lo menos para mi, resulta curioso y a la vez muy interesante ver como ciencia y religión muchas veces pueden ir cogidas de la mano.

Vale, pero ¿qué dice la teoría del “Big Bang”?

Básicamente nos viene a decir que todo lo que existe en el universo, incluso el tiempo, salió de un punto muy pequeño y muy muy denso, que ha ido expandiéndose hasta llegar al estado actual.

En la figura de arriba una representación del Big Bang y la evolución del Universo a lo largo de sus 13.700.000.000 de años. (La imagen de a tamaño completo en aquí).

Claro, dada esta teoría tampoco parece muy extraño que haya mucha gente que se incline por aceptar que el Universo lo creó Dios en una semana. Pero en la ciencia, lo que hace que una teoría sea más aceptada que otra es el hecho de que haya datos “físicos” reales y palpables que nos demuestren su viabilidad. Pero esos datos y observaciones van a ser material para otro post.

¿BOOM y ya lo tenemos todo?

Bueno, en la teoría del “Big Bang” todo va un poco más “despacio” que en la de la semana de la creación. Si más no, la naturaleza se lo tomó con más calma para “crear” todo lo que percibimos.

El universo tiene su inicio hace unos 13.700.000.000 de años (trece mil setecientos millones), 100 millones de año arriba 100 millones de año abajo. Cuando esto sucedió, todo el material que compone el universo estaba tan apretado que su temperatura era de miles de millones de grados centígrados. Estaba todo tan caliente que incluso lo átomos no podían sobrevivir. Tuvieron que pasar unos cuantos años hasta que el universo se enfriara y los primeros átomos pudieran formarse.

¿Cualos fueron los primeros átomos en formarse?

Pues hay que empezar por el principio, ¿no? 

¿Cual es el átomo más sencillo y de qué se compone?

El átomo más sencillo es el llamado átomo de Hidrógeno (H), y se compone de un protón y un electrón. Uno se puede hacer una idea de la estructura de un átomo de hidrógeno según el siguiente dibujo:

Como en el dibujo de arriba se ve, el protón, que posee carga positiva, se encuentra en el núcleo. A su alrededor se encuentra el electrón, con carga negativa, que da vueltas a su alrededor a velocidades altísimas.

Hay que tener en cuenta que se trata sólo de una representación gráfica. El electrón no describe una órbita perfecta alrededor del protón, sino más bien una nube donde el electrón puede encontrarse con más o menos probabilidad. Los átomos son tan minúsculos que no pueden “verse” ni con los microscopios más potentes (hoy en día existen microscopios electrónicos que permiten visualizar individualmente los átomos, pero no de la forma en que representa en el dibujo. Por decirlo de un modo, nos permite detectarlos individualmente, saber que uno está allí y otro un poquito más allá, pero no podemos verlos con los ojos (y os diré el porqué en otro post).

No creo que descubráis algo nuevo si os digo que en el Universo hay otros átomos además de los de hidrógeno. ¿Y qué tienen de diferente respecto al átomo de hidrógeno? Pues la cantidad de esos ingredientes, es decir, más protones y más electrones. Así pues, el siguiente átomo más ligero es el átomo de Helio (He), que tiene 2 protones y dos electrones. El que viene después es el átomo de Litio (Li), formado por 3 protones y 3 electrones, luego el Berilio (Be) con 4 protones y 4 electrones y así sucesivamente hasta llegar al... Bueno, es difícil decir, porque los átomos más pesados detectados son sintéticos y muy inestables. Lo que quiero decir con eso es que se han creado de forma “artificial” en el laboratorio.

Así pues, podemos considerar que todos los átomos están formados por la suma de átomos individuales de Hidrógeno, ¿verdad? De hecho esto no es del todo cierto, veamos por qué. Excepto el átomo de Hidrógeno, todos los demás tienen otro ingrediente en su núcleo. El Hidrógeno tiene un protón como núcleo y un electrón orbitando alrededor. Lo lógico sería que el átomo de Helio debería estar formado por la suma de 2 átomos de Hidrógeno (1 protón + 1 protón = 2 protones para el núcleo y 1 electrón + 1 electrón = 2 electrones alrededor), pero junto a los dos protones que hay en el centro del átomo de Helio, encontramos 2 partículas igual de pesadas (casi casi casi igual) que el protón. Ése es el neutrón (seguro que muchos de vosoros ya lo echabais en falta, o quizás empezabais a dudar sobre si recordabais correctamente las primeras lecciones de física o química de secundaria).

En esta imagen se puede ver la supuesta estructura de un átomo con el núcleo en el centro -formado por protones y neutrones- y de los electrones orbitando a su alrededor. 

(Imagen de http://www.medicalsciencenavigator.com/physiology-and-biochemistry)

Bien, así pues tenemos que el Helio es la suma de 2 átomos de hidrógeno más 2 neutrones. De la misma forma el Litio (3 protones, 3 neutrones y 3 electrones) es la suma de un átomo de Helio + un átomo de Hidrógeno + un neutrón. Otra vez, del mismo modo podemos “crear” el Berilio a partir del Litio añadiendo 1 átomo de hidrógeno y un neutrón, o bién sumando dos átomos de Helio: 1He + 1He = 1Be. Veámoslo:

*1He (2 protones, 2 neutrones, 2 electrones) + 1He (2 protones, 2 neutrones, 2 electrones) = 1Be (4 protones, 4 neutrones, 4 electrones).

Pues ya está, así de fácil hemos creado los átomos de todos los elementos que conocemos. Estos átomos tienen diferentes propiedades químicas y físicas. Según estas propiedades se pueden organizar de cierta forma para poder analizarlos mejor. Eso es lo que empezó haciendo el señor Dimitri Ivanovich Mendeleiev. Ordenó algunos elementos conocidos en su época según las características que pudo averiguar de ellos. Esta tabla es conocida por casi todo el mundo hoy día y se le llama Tabla Periódica de los Elementos. La forma en que el químico Mendeleiev dedujo la estructura de esta tabla no tiene desperdicio. Va a ser material para otro post (otra vez, sí).

En la tabla periódica de los elementos de arriba pueden verse hasta 118 elementos. (Imagen de www.chemistry.about.com)

Así pues, tal como indica el título de esta sección... ¿BOOM y ya está? Pues no.

1 + 1 no siempre = 2

Todo parece tener una solución sencilla según lo redactado anteriormente. Basta con tomar 2 átomos de Berilio (Be4), juntarlos, y formar un átomo de Oxígeno (O8), donde el número del subíndice representa la cantidad de protones que posee el átomo.

Pero eso no resulta ser tán “fácil”. Y la palabra “fácil” aquí es muy apropiada. Formar átomos pesados a partir de otros más ligeros es difícil. Muy difícil, que no complicado. Levantar una piedra de 200 kilogramos con los brazos no es complicado, basta con tener fuerza suficiente. Es difícil. De la misma forma, para juntar dos átomos para formar otro más pesado, no es complicado, basta con darles la suficiente energía para que se unan. 

¿Cuanta energía?

La dificultad para unir dos átomos reside en acercar los nucleos lo suficiente como para que se junten. Si intentáramos unir 2 protones con 2 neutrones para formar un nucleo de Helio, nos daríamos cuenta que estos se repelen con muchísima fuerza. Hay que dar a los protones y neutrones suficiente velócidad como para que superen esa repulsión y puedan permanecer unidos. Si la cosa hubiera sido tan fácil... pues oye, tomo 3 átomos de Hierro (Fe26), que abunda bastante en la Tierra, con lo que tendría 78 protones y ya sólo le tengo que añadir un protón (o un átomo de Hidrógeno (H1)) para tener 79!! 

Bueno...¿y qué? Podéis preguntaros. Mirad la tabla periódica del dibujo anterior. ORO!!! (Au79) Seríamos ricoooos!!!! Sólo con juntar Hierro e Hidrógeno!! 

Alguien un poco menos ambicioso podría contentarse con unir un átomo de Hierro (Fe26) con uno de Calcio (Ca20) y otro de Hidrógeno (H1). Con eso obtendremos otro metal precioso (no seais vagos/as y averiguadlo vosotros/as mismos/as). Tendríamos elementos a la carta.

Fijaos que en ningún momento he hablado de los electrones. Los electrones pintan poco en la formación de nuevos átomos, ya que lo que caracteriza a un átomo es el número de protones. Sí, podemos tener, por ejemplo, un átomo de Carbono (C6) neutro con 6 electrones o cargado positivamente si le quitamos 1, 2, 3... electrones. Cuantos menos electrones, más cargado positivamente. Análogamente, si en vez de quitarle electrones se los diéramos, entonces el átomo de Carbono se cargaría negativamente. Aun así, nunca dejaría de ser Carbono porque el número de protones sería siempre el mismo. 

Bueno, pero ¿qué pasa con los neutrones del nucleo? Si a un átomo de Carbono, o de cualquier otro elemento de la tabla periódica, le quitáramos uno o varios protones, ¿dejaría de ser Carbono o cualquier elemento en cuestión?. La respuesta es NO, seguiría siendo ese mismo elemento. Así, por ejemplo, el Hidrógeno (H1) existe en la naturaleza sin ningún neutrón, es decir, tal y como lo se ha representado más arriba, pero también existen átomos de Hidrógeno con 1 protón, 1 neutron y 1 electrón, conocido como Deuterio y átomos de Hidrógeno que poseen 1 protón, 2 neutrones y 1 electrón, conocido como Tritio. Estos tres tipos de átomos, para el caso del Hidrógeno, se le llama Isótopos del Hidrógeno. Todos los elementos están representados por varios isótopos. El elemento más conocido por poseer isótopos es el Uranio (U92). Se aprovechan las propiedades de uno de estos isótpos del Uranio para generar energía gracias a su alta radioactividad. No sería conveniente adentrarnos mucho en este campo, ya que se alargaría mucho el post y nos conduciría a un tema que es material perfecto para otro post entero (sí, otra vez).

Resumiendo: los átomos más pesados se crean a partir de átomos más ligeros. Para poder formar estos átomos más pesados es necesario que los más ligeros choquen con suficiente energía. Lo que da un poco de "magia" a este proceso es que cuando estos átomos más ligeros se unen, liberan una cantidad de energía prodigiosa. De la unión 2 átomos de Hidrógeno (H1) con 2 neutrones, obtendremos un átomo de Helio (He2) más una cantidad asombrosa de energía. A este proceso se le llama Fusión.

En esta imagen aparece un diagrama donde un núcleo de deuterio y otro de tritio (ambos isótopos del Hidrógeno) se unen para formar un átomo de Helio a través de la fusión.

No hay que confundir la fusión con la fisión donde el proceso es el contrario. Es decir, un átomo pesado se divide en 2 átomos más ligeros y además libera energía (como sucede en los reactores nucleares que utilizamos para generar energía eléctrica). Por lo tanto, en el proceso de fusión hacen falta 2 átomos que se unan otorgándoles energía y como resultado obtenemos otro átomo más pesado y una cantidad de energía mucho mayor que la que hemos invertido. Sí, parece fácil y... oye, pudiendo fusionar átomos ligeros dándoles energía y de ello obteniendo átomos más pesados pero además una cantidad de energía mayor a la invertida...¿por qué no hay generadores de estos en marcha? Imaginaos, sólo haría falta un "clik" para poder iniciar el proceso, después podríamos aprovechar la misma energía obtenida para continuar la fusión de otros átomos y así seguir obteniendo más energía! Es genial!! ¿Por qué no lo hacemos? Si tenemos generadores nucleares de fisión, ¿por qué no de fusión?. De hecho hay algunos proyectos para poder dominar esta fuente de energía  y aprovechar su eficiencia, pero el problema principal es el siguiente:

La energía que hay que dar a los átomos que van a fusionarse es enorme, no tanto como la que se obtendrá una vez se hayan fusionado, pero aun así es muy alta. ¿Cómo de alta? Pues debemos tener en cuenta que esos átomos deben encontrarse en ambientes donde la temperatura es del orden de 10 a 20 millones de grados centígrados. Éso si quisiéramos fusionar dos átomos de Hidrógeno para formar Helio. Un escenario tan extremo y violento no tiene lugar en la Tierra. ¿Dóne pues? Ahora es cuando debemos retomar el hilo de la teoría del Big Bang!

Efectivamente, poco después de que tuviera lugar el Big Bang, la temperatura y la densidad del Universo era altísima. Demasiado alta, pues a esa temperatura y densidad incluso los protones y neutrones que forman los átomos estaban "fundidos", por decirlo de alguna manera. Hubo que esperar hasta que el universo se expandió lo suficiente y así se enfriara bastante como para que pudieran formarse los primeros átomos de hidrógeno. Fue entonces, en ese ambiente tan caliente y denso donde empezaron a formarse los primeros átomos de Helio a partir de los de Hidrógeno. Es lo que en cosmología se conoce como la "Nucleosíntesis Primordial". El nombre lo dice todo.

Parece pues que ya hemos encontrado una explicación a la gran diversidad de átomos que puebla hoy en día nuestro universo y concretamente nuestra Tierra. Eso es: poco después del Big Bang se formaron átomos de Hidrógeno y se fusionaron dando Helio y estos a la vez... Pero un momento. De ser así, ¿por qué hay todavía Hidrógeno en el Universo?, ¿por qué no se fusionó todo en Helio y este a su vez en otros átomos más pesados?

Sí sí, el Universo estaba muy caliente entonces, pero también se estaba expandiendo y enfriando, eso significa que no dio tiempo a todo el Hidrógeno para fusionarse en Helio. No sólo eso. Resulta que cuanto más pesados son los átomos, más energía hay que darles para que se fusionen. Así, para fusionar dos átomos de Helio, hace falta una energía (o temperatura) mucho mayor que para fusionar dos átomos de Hidrógeno, una temperatura superior a los 20 millones de grados centígrados. Al mismo tiempo que se iban fusionando los átomos de Hidrógeno formando Helio, el Universo se iba expandiendo enfriándose. Además, para formar átomos más pesados la temperatura debía ascender, y no disminuir. Se calcula que después de esta "época cosmológica" llamada Nucleosíntesis Primordial, la proporción de materia atómica que formaba entonces el universo era de 75% Hidrógeno y 25% Helio más algunos rastros de Litio. Estas cantidades prácticamente no han cambiado desde entonces. Puede constatarse gracias a las observaciones con telescopios modernos.

La pregunta ahora es: ¿De donde proceden los átomos que forman...todo? El Oxígeno (O8) que respiramos, el Hierro (Fe26) de las sartenes, el Aluminio (Al13) del papel "Albal", el Cobre (Cu29) de los tubos, el Fluor (F9) de la pasta de dientes, el Calcio (Ca20) de nuestros huesos, el Titanio(Ti22) de los chasis de algunos coches, el Arsénico (As33) con el que se suicidó Hamlet, el Silicio (Si14) de los circuitos integrados o el Mercurio (Hg80) de algunos termómetros. ¿De donde? ¿Qué escenario puede ser tan caliente? Sólo puede darse en un lugar y ése es en el centro de las estrellas.

En esta imagen puede verse la estructura interior de una estrella parecida al Sol . Sólo en la parte central de la estrella es donde se lleva a cabo la fusión del Hidrógeno en Helio. (Imagen de crab0.astr.nthu.edu.tw)

En el centro de las estrellas, en su núcleo, se alcanzan temperaturas suficientemente altas como para que los átomos de Hidrógeno se fusionen formando Helio. El Hidrógeno sirve de combustible para crear Helio más una cantidad enorme de energía. Esto lo podemos vivir en nuestras carnes todos los días teniendo en cuenta que este proceso sucede a unos 150 millones de Kilómetros de nosotros, o sea, en el centro de nuestro Sol. El Sol lleva unos 5.000.000.000 (5 mil millones) de años realizando este proceso sin pausa. Un proceso que durará, todavía, otros 5.000.000.000 de años más. Cuando el Hidrógeno en el núcleo se agote, este se contraerá y, del mismo modo que cuando aumenta la presión en un pistón su temperatura se eleva, la temperatura del nucleo solar aumentará hasta que empiece la fusión del Helio en otros átomos más pesados. Átomos como el Carbono (C6), el Nitrógeno (N7) y el oxígeno (O8). Deo decir que la fusión sólo sucede en el núcleo del Sol, en las partes más externas el hidrógeno no se fusiona porque la temperatura en esas partes no es suficientemente alta.

Este proceso de fusión tiene, o ha tenido lugar, en el nucleo de todas las estrellas. Dependiendo de la masa con la que se forma una estrella, este proceso de fusión se va repitiendo en el centro hasta formar Hierro (Fe26) y Níquel (Ni28). Llegados a este punto la fusión ya no es un proceso efectivo. Para unir un átomo de Hierro con otro para formar un átomo más pesado hace falta una cantidad de energía enorme. Aun así, si se logra esta fusión, la energía liberada será menor a la energía invertida, con lo que el proceso no resulta viable. Por lo tanto, una vez el núcleo de la estrella ha convertido todos los átomos más ligeros en Hierro y Níquel, la fusión se para. El Sol no tiene suficiente masa como para que su núcleo llegue a formar Hierro, por lo que este proceso se parará antes. Pero existen estrella mucho más masivas que el Sol (2, 3, 5, 10, 20, 50 y hasta 100 veces más) donde sí llegará a formarse Hierro.

En la imagen de arriba puede verse la estructura del núcleo de una estrella donde diferentes capas sufren la fusión de diferentes elementos. En el centro se encuentra el Hierro (Fe26). Esta estructura es conocida por los astrónomos como estructura "de cebolla". (Imagen de flightline.highline.edu).

Como os habréis dado cuenta, el Hierro (Fe26) o el Níquel(Ni28) no son los elementos con más protones en su núcleo  El Cobre, el Arsénico y el Mercurio son algunos ejemplos de átomos más pesados. Así pues, si el proceso de fusión en el núcleo de la estrella se detiene, ¿no son las estrellas las que forman estos elementos?

Sí, son ellas, y aquí viene quizás la parte más romántica de este post. Cuando a una estrella se le agota el combustible para seguir fusionando átomos ligeros en átomos más pesados, su núcleo deja de emitir energía. Esta energía compensaba la fuerza de la gravedad que las partes internas de la estrella ejercen sobre las partes externas: La gravedad toma el mando. Hasta este momento la radiación producida por la fusión en el núcleo aguantaba el peso de toda la estrella. La estrella, con todo su material restante no fusionado (Hidrógeno, Helio, Carbono... hasta el Hierro y Níquel si se da el caso) colapsa, se desploma hacia su centro. La colisión de las capas exteriores y medias de la estrella con el núcleo densísimo es tal que se desencadena una explosión colosal. En algunos casos esta explosión es tan grande que, en el caso que esté suficientemente cerca de la Tierr, pueden verse a plena luz del día como un disco de luz. Incluso por la noche iluminan tanto como la luna llena. Estas explosiones se conocen como Supernovas, y liberan tal cantidad de energía que pueden fusionar el material restante en los demás elementos de la tabla periódica que existen. Así pues, en su último suspiro, estas estrellas explotan liberando una abanico enorme de materia que enriquecen el medio interestelar y que pasarán a formar parte de una nueva generación de estrellas. 

Explosiones de supernovas han sido documentadas en los años 185, 1006, 1054 por ejemplo. Los restos de estas explosiones pueden verse ahora gracias a los telescopios modernos. Estos restos son conocidos como remanentes de supernovas, y presentan una visión tan espectacular como las de abajo:

Ésta de arriba es la Supernova SN 1572 o Supernova Tycho (apellido del astrónomo danés Tycho Brahe a quien debe su nombre). Fue visible a simple vista desde toda la Tierra durante meses.

Arriba otra supernova. Esta es la Supernova del Cangrejo o SN 1054.

Ese material que anteriormente pertenecía a una estrella y que ahora flota en el espacio, posiblemente pasará a formar parte de una nueva generación de estrellas. Así sucedió cuando se formó nuestro Sol. Él se quedó la mayor parte de materia expulsada por estrellas más antiguas que ella, sus progenitoras, pero ha dejado parte de esta materia para que se puedan formar los planetas, los satélites, los océanos, las montañas, la atmósfera, las células, las plantas y en definitiva todos los seres vivos incluyendo nosotros, los seres humanos.

Cada átomo de tu piel, cada molécula que se intercambia en una sinapsis que tiene lugar en tu cerebro, cada chip integrado en tu ordenador, los átomos que dan forma a cada píxel de la pantalla de la que estás leyendo, en definitiva, TODO lo que ves, fue en su día formado en el centro de una estrella. Así pues, creo que no exagero cuando, en boca de otros, digo que somos "hijos de las estrellas".

Deseo que os haya gustado este post y espero impaciente vuestros comentarios!!!

PD: Felices fiestas a todo el mundo!!