El alquimista gal¨¢ctico

A menudo las preguntas m¨¢s sencillas esconden las respuestas m¨¢s complejas, involucrando los aspectos de la ciencia que uno nunca esperar¨ªa. Una de estas preguntas es el origen de los elementos qu¨ªmicos, por ejemplo el carbono, nitr¨®geno, ox¨ªgeno, etc. Son elementos tan habituales en nuestra vida cotidiana como necesarios, y sin embargo nunca nos podr¨ªamos imaginar que es necesario recurrir a la astrof¨ªsica para poder entender su origen.

La teor¨ªa del Big Bang predice un pasado caliente hace mas de 13.000 millones de a?os, en el que todos los puntos del universo estaban arbitrariamente pr¨®ximos entre s¨ª. La expansi¨®n -provocada por el contenido de materia y energ¨ªa- permiti¨® el enfriamiento de la materia que llamamos ordinaria o bari¨®nica, fundamentalmente protones, neutrones y electrones (en este art¨ªculo no consideramos la materia oscura, ya que no juega un papel importante en el origen de los elementos). C¨¢lculos detallados del proceso de expansi¨®n y de las interacciones entre estas part¨ªculas nos permiten determinar la cantidad de hidr¨®geno (el elemento qu¨ªmico m¨¢s sencillo, consitutido por un solo prot¨®n, rodeado por un electr¨®n) que fue convertido en helio durante esta fase.

Cada segundo el Sol produce unos 600 millones de toneladas de helio a partir de hidr¨®geno en su interior, con temperaturas del orden de 10 millones de grados

Las condiciones del 'Big Bang'

Tras el hidr¨®geno, el helio es el siguiente elemento en complejidad de la tabla peri¨®dica, compuesto por dos protones y dos neutrones, rodeado de dos electrones. Aproximadamente la cuarta parte del hidr¨®geno fue convertido en helio. Esto sucedi¨® unos pocos minutos despu¨¦s de la gran explosi¨®n. Sin embargo, los c¨¢lculos muestran que las condiciones del Big Bang no fueron adecuadas para la s¨ªntesis de ning¨²n otro elemento m¨¢s complejo. Altas temperaturas y densidades son necesarias para transformar el helio en elementos m¨¢s complejos, tales como carbono, ox¨ªgeno o hierro. Las energ¨ªas que produce cualquier proceso qu¨ªmico (tal como una explosi¨®n de dinamita) no son suficientemente altas para la s¨ªntesis de los elementos de la tabla peri¨®dica.

Las estrellas son los verdaderos alquimistas gal¨¢cticos, convirtiendo elementos ligeros en otros m¨¢s pesados en su interior. Cada segundo el Sol produce unos 600 millones de toneladas de helio a partir de hidr¨®geno en su interior, con temperaturas del orden de 10 millones de grados, generando una energ¨ªa equivalente a 95.000 millones de megatones de TNT por segundo.

En una fase posterior -cuando el hidr¨®geno del interior se haya agotado- el Sol aumentar¨¢ su temperatura central a 100 millones de grados y permitir¨¢ la s¨ªntesis de carbono a partir de helio. En estrellas m¨¢s masivas que el Sol, las temperaturas y densidades son a¨²n mayores, posibilitando la formaci¨®n de ox¨ªgeno, ne¨®n, o silicio. En la fase final de la vida de una estrella con m¨¢s de 10 veces la masa del Sol, el n¨²cleo acaba sintetizando hierro, elemento muy estable. El proceso no puede seguir para generar elementos m¨¢s pesados, produci¨¦ndose el colapso del n¨²cleo de la estrella. Las capas exteriores se desploman hacia el centro y chocan con este n¨²cleo denso e incompresible, literalmente rebotando hacia fuera, generando una onda de choque que expulsa la mayor parte de los elementos sintetizados por la estrella.

Brillar como toda la galaxia

Esta explosi¨®n -una supernova- es tan energ¨¦tica que a pesar de ser causada por una sola estrella, llega a brillar como toda la galaxia. Durante la explosi¨®n se generan elementos m¨¢s pesados que el hierro por la irradiaci¨®n intensa de neutrones. La moraleja de todo este mecanismo est¨¢ en que todos los ¨¢tomos que el lector contiene en su cuerpo se formaron en el pasado en el interior de alguna estrella: somos verdaderamente hijos de las estrellas. En este a?o internacional de la astronom¨ªa, que tambi¨¦n celebra el 200 aniversario del nacimiento del naturalista Charles Darwin, uno puede pensar que no s¨®lo somos fruto de la evoluci¨®n y selecci¨®n natural de la bioqu¨ªmica en la Tierra. Tambi¨¦n somos fruto de la "evoluci¨®n" de los elementos qu¨ªmicos a partir de la s¨ªntesis termonuclear en el interior de las estrellas.

Los astrof¨ªsicos empleamos el proceso de s¨ªntesis termonuclear en las estrellas para indagar sobre la formaci¨®n de las galaxias. Actualmente, uno de los grandes misterios de la f¨ªsica es el mecanismo de colapso de gas para formar estrellas en las galaxias. A¨²n no entendemos c¨®mo se pudieron generar las galaxias m¨¢s masivas. Estas galaxias est¨¢n dominadas por poblaciones estelares muy viejas que reflejan una etapa de formaci¨®n muy r¨¢pida y temprana. Sigue siendo un misterio c¨®mo estos sistemas pueden haber mantenido una tasa de formaci¨®n estelar mil veces m¨¢s alta que el ritmo actual en nuestra galaxia, la V¨ªa L¨¢ctea. A partir del estudio de la composici¨®n de las estrellas podemos determinar la cantidad de elementos como el carbono, ox¨ªgeno, magnesio o hierro presentes en las galaxias. Estas abundancias de elementos revelan, cual f¨®sil, el pasado de la formaci¨®n de las galaxias. No en vano, este ¨¢rea reciente de investigaci¨®n en astrof¨ªsica es denominada arqueolog¨ªa gal¨¢ctica.

Ignacio Ferreras es profesor en el Mullard Space Science Laboratory del University College London