?Somos polvo de estrellas?

Los componentes b¨¢sicos que forman todos los seres vivos de la Tierra son solo un pu?ado, con una enorme preponderancia de ox¨ªgeno, carbono, hidr¨®geno, nitr¨®geno, f¨®sforo y azufre, que constituyen el 97,5% de nuestros cuerpos. En mucha menor cantidad, la naturaleza necesita otros microelementos bioesenciales, como el sodio, el potasio o el calcio, para construirnos. E incluso algunos elementos traza, como el cobre o el zinc, indispensables para los procesos enzim¨¢ticos. Y estamos convencidos de que estos elementos se fabrican en el interior de las estrellas.

Seg¨²n el modelo con el que nos explicamos el origen del cosmos a partir del Big Bang, los ¨²nicos elementos presentes en el universo primitivo eran hidr¨®geno, helio y peque?as cantidades de litio. Los elementos con n¨²meros at¨®micos entre 4 (berilio) y 25 (manganeso) se habr¨ªan formado miles de millones de a?os m¨¢s tarde, mediante la fusi¨®n progresiva de n¨²cleos cada vez m¨¢s pesados dentro de estrellas masivas, gracias a la combinaci¨®n de las enormes presiones y temperaturas de los interiores estelares.

La creaci¨®n de elementos m¨¢s pesados que el hierro (n¨²mero at¨®mico 26) habr¨ªa requerido la aparici¨®n de supernovas: la generaci¨®n de hierro, a diferencia de la fabricaci¨®n de los elementos m¨¢s ligeros, no emite un exceso de energ¨ªa y, por lo tanto, es incapaz de evitar que las estrellas colapsen por su propio peso. Al colapsar en forma de supernovas, estas estrellas producen neutrones de alta velocidad, que son capturados por los n¨²cleos para crear precisamente los elementos m¨¢s pesados que el hierro.

Cuando las estrellas mueren, liberan todos estos elementos, que se incorporar¨¢n eones m¨¢s tarde a nuevos sistemas estelares en formaci¨®n, y tambi¨¦n a sus planetas y a todo lo que estos puedan contener, incluyendo procesos de qu¨ªmica org¨¢nica o seres vivos. De aqu¨ª surge el adagio ¡°somos polvo de estrellas¡±, a partir de la c¨¦lebre frase del astr¨®nomo estadounidense Harlow Shapley en 1929: ¡°Nosotros, los seres org¨¢nicos que nos llamamos seres humanos, estamos hechos de la misma materia que las estrellas¡±.

Esta es la raz¨®n por la que ha generado tanto inter¨¦s la hip¨®tesis complementaria del geof¨ªsico japon¨¦s Mikio Fukuhara para explicar la generaci¨®n de elementos m¨¢s pesados que el litio en el universo. La palabra ¡°complementaria¡± es importante aqu¨ª: la hip¨®tesis de Fukuhara no discute el modelo del Big Bang, solamente ofrece otra posibilidad adicional para fabricar elementos pesados.

Seg¨²n la hip¨®tesis de Fukuhara, la creaci¨®n de elementos m¨¢s ligeros que el hierro podr¨ªa no depender exclusivamente de las condiciones extremas que se alcanzan dentro de las estrellas muy masivas. Su hip¨®tesis plantea la posibilidad de que en el interior de la Tierra tambi¨¦n se hayan producido ox¨ªgeno, carbono y todos los dem¨¢s elementos con n¨²meros at¨®micos de hasta 25. Seg¨²n su hip¨®tesis, las reacciones de fusi¨®n de n¨²cleos cada vez m¨¢s pesados deben ocurrir tambi¨¦n en el manto inferior de la Tierra, donde ser¨ªan catalizadas por neutrinos y electrones excitados.

En un modelo preliminar publicado hace un a?o, Fukuhara ya propuso que el nitr¨®geno, el ox¨ªgeno e incluso el agua, cuyas concentraciones en la Tierra se han disparado con el tiempo, podr¨ªan haberse forjado en reacciones endot¨¦rmicas dentro del manto de la Tierra. Esas reacciones involucrar¨ªan a n¨²cleos de carbono y ox¨ªgeno confinados dentro de la red cristalina de rocas de carbonato de calcio (aragonito) en el manto inferior, sometidos a grandes presiones y temperaturas durante el proceso de subducci¨®n de la litosfera al converger dos placas tect¨®nicas.

Piones neutros

Fukuhara ya se?al¨® entonces la posible objeci¨®n principal a su hip¨®tesis: las temperaturas y presiones que se registran a profundidades de varios miles de kil¨®metros bajo la superficie terrestre son enormes, ciertamente, pero no tanto como para forzar a esos n¨²cleos a unirse venciendo su repulsi¨®n mutua, lo que s¨ª sucede en el interior de las estrellas. Sin embargo, Fukuhara aduce que la presencia de ciertas part¨ªculas subat¨®micas, conocidas como piones neutros, ser¨ªa capaz de aumentar la atracci¨®n nuclear hasta el punto de forzar la fusi¨®n. Los piones ser¨ªan generados por electrones excitados por la r¨¢pida fractura y deslizamiento de los cristales de carbonato, como una consecuencia no identificada hasta ahora de la tect¨®nica de placas.

La nueva hip¨®tesis de Fukuhara publicada ahora va un paso m¨¢s all¨¢, y muestra c¨®mo estas reacciones de fusi¨®n en el manto podr¨ªan explicar la producci¨®n no solo de nitr¨®geno, ox¨ªgeno y agua, sino tambi¨¦n de los 25 elementos m¨¢s ligeros. Para demostrar la viabilidad de este mecanismo, calcul¨® la energ¨ªa m¨ªnima requerida para iniciar la reacci¨®n en cada caso.

Empez¨® los an¨¢lisis con tres conjuntos de dos n¨²cleos cada uno: magnesio y hierro, aluminio y magnesio, y aluminio y silicio. En los tres casos, observ¨® que la combinaci¨®n de temperatura, presi¨®n y cat¨¢lisis reduc¨ªa la distancia de interacci¨®n entre los n¨²cleos de modo que pod¨ªan fusionarse, produciendo azufre y titanio, sodio y silicio, y ox¨ªgeno y potasio, respectivamente. Fukuhara prev¨¦ realizar c¨¢lculos adicionales para averiguar si el mecanismo que ha identificado puede tambi¨¦n generar elementos m¨¢s pesados que el hierro.

Por supuesto, este mecanismo de fusi¨®n en el interior de la Tierra sigue siendo tan solo una hip¨®tesis que necesita ponerse a prueba con experimentos adicionales, involucrando muy altas temperaturas y presiones. Pero, si se confirmara la producci¨®n de elementos pesados en el interior de los planetas rocosos con tect¨®nica de placas, no ser¨ªamos exclusivamente polvo de estrellas.

Alberto Gonz¨¢lez Fair¨¦n es investigador en el Centro de Astrobiolog¨ªa (CSIC-INTA) en Madrid, y en el Departamento de Astronom¨ªa de la Universidad Cornell en Nueva York.

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