Nueva mirada al origen de los elementos

Desde un min¨²sculo grano de arena a un c¨²mulo de galaxias, el Universo (con permiso de la materia y la energ¨ªa oscuras) rebosa de materia formada por ¨¢tomos. Existen 93 variedades at¨®micas en forma natural, a las que hay que sumar dos docenas de especies sintetizadas artificialmente en el laboratorio. Sin embargo, no todas ellas presentan la misma abundancia: hidr¨®geno y helio son, con diferencia, las dos especies dominantes; el resto se agrupa en una caprichosa distribuci¨®n irregular de abundancias que tiende a disminuir al considerar n¨²cleos m¨¢s y m¨¢s pesados. De hecho, las causas del predominio de unas especies sobre otras y del perfil espec¨ªfico de las abundancias qu¨ªmicas observadas en el universo han dado lugar a acaloradas discusiones y desaforadas conjeturas.

Debemos nuestra propia existencia a una improbable combinaci¨®n de factores, entre otros la existencia de las estrellas

Alquimia estelar

Cinco d¨¦cadas despu¨¦s del descubrimiento de la radiactividad, los f¨ªsicos Ralph Alpher, Hans Bethe y George Gamow propusieron que, en las extraordinarias condiciones que imperaban poco despu¨¦s de la explosi¨®n inicial (Big Bang), el Universo primitivo devino un verdadero horno en el que se cocin¨® la totalidad de la tabla peri¨®dica de los elementos. Sin embargo, estudios posteriores, corroborados por medidas de abundancias en estrellas muy viejas, han permitido entrever que el Universo primitivo era qu¨ªmicamente muy pobre: la s¨ªntesis de elementos durante las primeras etapas del Universo (la llamada nucleos¨ªntesis primordial) se limit¨® a un pu?ado de especies ligeras: dos is¨®topos de hidr¨®geno (protio y deuterio), helio (helio-3 y helio-4) y litio (litio-7), producidos a temperaturas cercanas a los 10 elevado a nueve grados Kelvin, entre 200 y 1.000 segundos despu¨¦s de la explosi¨®n. El resto de especies qu¨ªmicas, desde el hierro presente en nuestra sangre al calcio de nuestros huesos, pasando por el silicio de los chips de ordenador, tuvo que esperar a la gestaci¨®n de las primeras estrellas, unos 180 millones de a?os despu¨¦s.

Las estrellas constituyen verdaderas factor¨ªas de transformaci¨®n nuclear, crisoles donde la materia primordial se forja en n¨²cleos m¨¢s y m¨¢s complejos. Mediante episodios m¨¢s o menos explosivos, las estrellas retornan parte de este material procesado termonuclearmente al medio interestelar; materia en la que, cual ave f¨¦nix, volver¨¢n a gestarse nuevas generaciones de estrellas, enriquecidas progresivamente en materiales m¨¢s pesados que el hidr¨®geno y el helio. Sin el concurso de los procesos nucleares que tienen lugar en las estrellas no habr¨ªan aparecido jam¨¢s las mol¨¦culas de la vida. De hecho, debemos nuestra propia existencia a una improbable combinaci¨®n de factores, entre otros a la existencia de las estrellas.

EuroGENESIS y el origen de las especies

Si en 1859 Charles Darwin publicaba su famoso tratado El origen de las especies, obra fundacional de la moderna biolog¨ªa evolutiva; un siglo despu¨¦s, en 1957, ve¨ªan la luz dos trabajos pioneros sobre el origen de las especies qu¨ªmicas, publicados por E.M. Burbidge y colaboradores, y por A.G.W. Cameron.

Una iniciativa reciente que persigue arrojar luz en este campo, recogiendo el testigo de una mir¨ªada de esfuerzos anteriores, es el ambicioso proyecto EuroGENESIS . A trav¨¦s de un enfoque multidisciplinar y transnacional, este proyecto pretende ahondar en el origen de los elementos, a lo largo de los distintos episodios que configuran la historia nuclear del Universo, desde el Big Bang a nuestros d¨ªas. Pretende tambi¨¦n dar respuesta a c¨®mo la materia presente en el cosmos, formada por estos mismos elementos, ha devenido compleja, hasta el punto de hacer posible la emergencia de la vida. Seleccionado en los prestigiosos proyectos competitivos EUROCORES de la European Science Foundation (ESF), EuroGENESIS nace con el objetivo de integrar, por primera vez, astrof¨ªsicos te¨®ricos especialistas en la modelizaci¨®n de estrellas por ordenador; astr¨®nomos observacionales que determinan las abundancias qu¨ªmicas del universo mediante telescopios terrestres y espaciales (o a partir de medidas de granos meteor¨ªticos en el laboratorio); cosmoqu¨ªmicos que estudian c¨®mo se asocia la materia en el espacio hasta formar s¨®lidos y eventualmente planetas capaces de albergar formas de vida; y f¨ªsicos nucleares que proporcionan la informaci¨®n b¨¢sica sobre el tipo de transmutaciones nucleares que se producen en las estrellas mediante esfuerzos experimentales y te¨®ricos. EuroGENESIS, con un presupuesto de 2,5 millones de euros, agrupa varios centenares de especialistas de 16 pa¨ªses, a trav¨¦s de la participaci¨®n de 29 centros de investigaci¨®n, tan prestigiosos como el Instituto de Astrof¨ªsica de Par¨ªs, la Universidad de Washington (St. Louis, EE UU), tres institutos Max Planck, la Academia de Ciencias de Rusia o el laboratorio TRIUMF, en Vancouver (Canad¨¢). Espa?a participa a trav¨¦s de cuatro instituciones: la Universidad Polit¨¦cnica de Catalu?a , el Instituto de Estudios Espaciales (CSIC, Bellaterra), el Instituto de Estructura de la Materia (CSIC, Madrid) y la Universidad de Huelva.

Cataclismos estelares

Un ejemplo ilustrativo del tipo de investigaci¨®n multidisciplinar que se persigue lo brindan las novas cl¨¢sicas, tit¨¢nicas explosiones termonucleares de naturaleza estelar cuya te¨®rica emisi¨®n gamma no ha sido nunca confirmada. De hecho, la detecci¨®n de dicha emisi¨®n constituye un objetivo de misiones espaciales como Integral, de la ESA. Una de las se?ales gamma predichas por los modelos guarda relaci¨®n con la desintegraci¨®n del fl¨²or-18 sintetizado en tales explosiones. Pero la detecci¨®n de la correspondiente emisi¨®n gamma topa con un serio obst¨¢culo: el desconocimiento del ritmo de destrucci¨®n de fl¨²or-18 mediante colisiones con protones, cuya caracterizaci¨®n requiere complicados experimentos de f¨ªsica nuclear. Un mayor conocimiento de esta reacci¨®n no s¨®lo mejorar¨ªa las predicciones te¨®ricas de la emisi¨®n gamma de las novas sino que ayudar¨ªa tambi¨¦n a esclarecer el origen de ciertas anomal¨ªas halladas en granos meteor¨ªticos.

Este y otros desaf¨ªos de la astrof¨ªsica moderna s¨®lo ser¨¢n posibles a trav¨¦s de programas multidisciplinares como EuroGENESIS, que aboguen por combinar esfuerzos en la frontera de la investigaci¨®n en astrof¨ªsica computacional, cosmoqu¨ªmica, astronom¨ªa observacional y f¨ªsica nuclear.

Jordi Jos¨¦ es investigador en la Universidad Polit¨¦cnica de Catalu?a y coordinador del proyecto EuroGENESIS