El oro: una historia de violencia c¨®smica

No todos los elementos qu¨ªmicos de la tabla peri¨®dica tienen la misma relevancia para nosotros humanos. Entre ese conjunto ordenado existe un pu?ado que son fundamentales para la vida, otros tantos son necesarios para mantener nuestra salud y otro peque?o grupo de ellos sustenta nuestro sistema econ¨®mico y tecnol¨®gico. Sin duda, entre los que han levantado m¨¢s pasiones y causado m¨¢s destrucci¨®n en la historia reciente de la humanidad se encuentra el oro. Su b¨²squeda alentada por la codicia de coronas y conquistadores ha provocado genocidios, movimientos migratorios masivos y su extracci¨®n es responsable de uno de los mayores desastres ambientales de la historia. Pero tambi¨¦n hay que reconocer que la perseverancia de los alquimistas, que durante siglos buscaron la transmutaci¨®n de otros elementos en oro, ayud¨® a sentar los est¨¢ndares de muchos de los m¨¦todos utilizados hoy en d¨ªa en ciencia.

Pero esas historias pertenecen a la Tierra. En el universo, el oro tambi¨¦n es especial ya que se encuentra entre esos elementos qu¨ªmicos que se producen en eventos ¨²nicos. El oro, el platino, y m¨¢s de la mitad de los elementos que constituyen la tabla peri¨®dica no se forjan en el n¨²cleo de las estrellas sino en sus envolturas o aleda?os a partir de procesos especiales llamados de captura neutr¨®nica. En su formaci¨®n interviene adem¨¢s la desintegraci¨®n beta que es responsable del cambio literal de un tipo de part¨ªcula subat¨®mica a otro.

Vayamos por partes. En la tabla peri¨®dica, los elementos se encuentran ordenados de acuerdo a su n¨²mero at¨®mico que es el n¨²mero total de protones, las part¨ªculas con carga positiva, que contiene el n¨²cleo de cada ¨¢tomo. Este n¨²mero constituye su huella de identidad b¨¢sica, lo que le define. Para el carbono este n¨²mero es 6, si lo aumentamos en tan solo una unidad tendremos nitr¨®geno y si lo aumentamos en dos unidades el elemento resultante es ox¨ªgeno. El hidr¨®geno, que es el ¨¢tomo m¨¢s sencillo, tiene un n¨²mero at¨®mico de 1. En astrof¨ªsica, la historia de los elementos comienza en el Big Bang donde se forma todo el hidr¨®geno del universo (un prot¨®n). Tambi¨¦n tienen su origen en este evento c¨®smico gran parte del helio (dos protones) y algo del litio (tres protones). Para formar el resto de los elementos qu¨ªmicos necesitamos estrellas y vientos.

Es en el n¨²cleo estelar donde se produce fusi¨®n nuclear, primero en un plasma de hidr¨®geno, es decir, protones de alta densidad a millones de grados. Ah¨ª es donde pueden superar la repulsi¨®n electrost¨¢tica que sabemos que ejercen dos part¨ªculas con la misma carga. As¨ª, en el n¨²cleo del Sol se est¨¢n transformando cada segundo 600 millones de toneladas de hidr¨®geno en helio y lo vienen haciendo, m¨¢s o menos a ese ritmo, durante 4.500 millones de a?os aproximadamente. Este proceso libera energ¨ªa que impide que la estrella colapse y provoca que si la estrella tiene suficiente masa se vayan forjando elementos cada vez m¨¢s pesados, esto es con mayor n¨²mero at¨®mico, primero helio y despu¨¦s carbono, nitr¨®geno, ox¨ªgeno, etc...

Sabemos que si la estrella es lo suficientemente grande para poder quemar hierro (nucleosint¨¦ticamente hablando) la reacci¨®n deja de producir energ¨ªa y es precisamente este evento el que conduce a la explosi¨®n de la estrella como supernova. Las reacciones de fusi¨®n en las estrellas son exot¨¦rmicas (liberan energ¨ªa) hasta que se forma el hierro. M¨¢s all¨¢ en la tabla peri¨®dica, no liberan energ¨ªa por fusi¨®n sino que la absorben. La barrera de Coulomb por la que dos part¨ªculas con la misma carga se repelen es imposible de romper para elementos con un n¨²mero suficientemente alto de protones. El hierro tiene n¨²mero at¨®mico 26, no est¨¢ situado ni en la mitad de la tabla peri¨®dica y la mayor parte de los elementos pesan m¨¢s que el hierro, tienen n¨²meros at¨®micos m¨¢s grandes. Entonces, ?de d¨®nde vienen los elementos qu¨ªmicos m¨¢s pesados?

Los elementos m¨¢s pesados que el hierro no se producen en las entra?as de las estrellas (en su n¨²cleo) por fusi¨®n nuclear, sino que se forman por la conocida como captura neutr¨®nica (que puede ser lenta o r¨¢pida), un tipo de proceso que da origen a la mayor parte de los elementos conocidos. Para que la captura neutr¨®nica tenga lugar son necesarias densidades de neutrones muy elevadas (un neutr¨®n es como un prot¨®n pero sin carga el¨¦ctrica) y un n¨²cleo semilla que capture neutrones. Esta captura hace que el n¨²cleo sea m¨¢s pesado y radiactivo (lo que es parecido a llamarlo inestable) decae en una especie estable situada en otra posici¨®n de la tabla peri¨®dica.

Sabemos que la captura lenta de neutrones tiene lugar en las envolturas de las estrellas de baja masa (aquellas de hasta 8 veces la masa del Sol), pero nuestros c¨¢lculos nos dicen que este proceso solo da lugar a la formaci¨®n de la mitad de los elementos m¨¢s pesados que el hierro que vemos en la tabla peri¨®dica. El resto, la otra mitad, han de venir del otro proceso, el r¨¢pido. Lento o r¨¢pido es relativo, como tiempos que son. Despu¨¦s de que un n¨²cleo at¨®mico haya capturado un neutr¨®n para convertirse en un is¨®topo m¨¢s pesado, la escala de tiempo para que capture otro es o bien lenta o r¨¢pida respecto al proceso con el que est¨¢ compitiendo, la desintegraci¨®n beta. La desintegraci¨®n beta transforma un neutr¨®n en un prot¨®n y por tanto aumenta el n¨²mero at¨®mico del elemento sin modificar su masa at¨®mica: hemos transformado el elemento, el sue?o de los alquimistas. ¡°Los procesos de captura lenta se pueden estudiar en el laboratorio, los de captura r¨¢pida, debido a la velocidad del proceso no, de ah¨ª las incertidumbres con las que trabajamos¡±. Pong¨¢monos en situaci¨®n, el proceso r¨¢pido requiere densidades de neutrones libres para el bombardeo mucho m¨¢s altas que en su hom¨®logo lento, en este caso necesitamos bombardear con m¨¢s de 100 trillones (100 billones de billones o lo que es m¨¢s f¨¢cil de escribir densidades de al menos 10??) de neutrones por cent¨ªmetro c¨²bico y esto es dif¨ªcil de producir en condiciones normales. Necesitamos eventos especiales: explosiones, fusi¨®n de estrellas de neutrones o las capturas de estrellas de neutrones por agujeros negros.

Se han identificado hasta la fecha tres entornos con suficiente densidad de neutrones como para que se puedan producir los fen¨®menos de captura necesarios para que crezcan las concentraciones universales de elementos qu¨ªmicos m¨¢s all¨¢ del hierro en la tabla peri¨®dica. Si nos centramos en la captura r¨¢pida, que es la que requiere condiciones m¨¢s extremas, tenemos el evento explosivo de la supernova misma o la fusi¨®n de estrellas de neutrones. La tercera v¨ªa involucra la colisi¨®n de una estrella de neutrones con un agujero negro. A medida que la estrella de neutrones es destrozada por el campo gravitatorio del agujero negro, ingentes cantidades de material rico en neutrones puede ser expulsado produciendo un entorno rico en oro, platino y en general elementos de captura neutr¨®nica r¨¢pida. Es dif¨ªcil, por no decir imposible, que la fiebre del oro humana alcance tan remotos e inh¨®spitos lugares. Pero qui¨¦n sabe lo que nos deparar¨¢ el futuro, dada la interminable lista de estupideces que hemos cometido hist¨®ricamente por ese vil metal.

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de un ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa; Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa.

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