La estrella dentro de ti

Aquí tienes un dato curioso para sacar a colación en tu próxima conversación: cada átomo en tu cuerpo, desde el calcio en tus huesos, el carbono en tus genes, el hierro en la sangre, hasta la plata presente en tus amalgamas fueron creados en una estrella hace miles de millones de años. Todos, a excepción de los átomos de hidrógeno y uno o dos de los siguientes elementos ligeros, se formaron hace mucho, poco después de que el Big Bang comenzó hace 13.7 mil millones de años.

Cassiopeia A

Cassiopeia A, el remanente de una supernova. Foto: NASA/JPL-Caltech/O. Krause (Steward Observatory)

Por increíble que pueda parecer, cada átomo en tu cuerpo, dicen los astrofísicos, se habría originado hace miles de millones de años en una estrella o en las secuelas explosivas del Big Bang.

Tú y todo lo que existe a tu alrededor, cada parte natural y cada pieza visible hecha por el hombre, cada roca, árbol, mariposa y edificio, se componen de átomos que originalmente surgieron durante el Big Bang, o de dos o tres elementos más ligeros, originados en millones de llamas y estrellas explotando muy atrás en la historia del universo. Vives porque las estrellas murieron, es así de simple.

¿Cómo es posible que yo pueda ser producto de restos cósmicos? Bueno, la historia no es nada nueva, pero vale la pena volver a contarla, ya sea porque su elaboración fue uno de los mayores logros de la astrofísica del siglo XX o porque hasta nuestros días sigue siendo sorprendente.

 

El comienzo de todo

La historia comienza en el principio, como en el Big Bang. Es entonces cuando, argumentan la astrofísica, todo el hidrógeno del universo llegó a existir. Inicialmente sólo eran protones, y luego, como el joven universo se expandía y enfriaba, éstos se fueron vinculando a los electrones, formando átomos de hidrógeno. Los mismos átomos del hidrógeno presente en el H2O que constituye más de la mitad de tu cuerpo ya habían nacido para entonces. Ellos no se originaron en sus padres, sino que provenían de los inicios del universo. ¿Alguna vez llegaste a pensar que en tu cuerpo hay átomos presentes de hace más de 13 mil millones de años?

estrellas

Foto: NASA, ESA, G. Bacon (STScI)

Si pudieras separar un átomo de hidrógeno de una molécula de agua presente en tu cuerpo, reducirla hasta su atómicamente minúsculo tamaño, como los científicos de Viaje Fantástico, y en seguida, retrocedieras el tiempo siguiéndolo en su curso de una vida inimaginable, te encontrarías invariablemente con el Big Bang. Este mismo átomo de hidrógeno, un átomo ahora presente dentro de ti mientras lees esto, no ha cambiado desde el principio de los tiempos.

El Big Bang también parió al helio, el siguiente elemento más ligero. No hay ninguna porción de helio presente en tu organismo, a menos que lo hayas aspirado del gas de un globo de cumpleaños. El helio es el segundo elemento más abundante después del hidrógeno. Juntos representan más del 98% de la materia del todo el universo visible. (Solo materia luminosa, es decir, la materia oscura es un asunto muy distinto) Un puñado de litio (el elemento 3) y uno o dos otros de los elementos más ligeros también fueron formados en la explosión, pero éstos eran insignificantes.

Todo lo demás, todos los demás elementos químicos, incluyendo al carbono, oxígeno, nitrógeno, y todos los otros elementos esenciales para la vida, se cree que fueron fabricados en las estrellas.

¿Cómo? Bueno, la historia es tan simple como terriblemente compleja, dependiendo de si te dedicas a escribir de ciencia o eres un científico. Esta es la historia simple:

 

El grupo de los 118.

En primer lugar, ¿de qué estamos hablando cuando nos referimos a un elemento? Un elemento químico es una sustancia que no puede descomponerse o cambiar a otra sustancia utilizando procedimientos químicos. Se pueden cambiar utilizando métodos nucleares, que es lo que sucede dentro de las estrellas.

universo conocido

Foto: NASA, ESA, and N. Pirzkal (STScI/ESA)

Como lo aprendimos en la escuela secundaria en clase de química, el hidrogeno, el elemento más ligero, tiene un protón en su núcleo y por eso se le asocia con el número atómico 1. El helio tiene dos protones y por eso es el número 2, y así sucesivamente hasta llegar al uranio, que, con 92 protones en su núcleo, es el más pesado de los elementos “de origen natural”.

Cabe destacar que toda la vida en la Tierra, todo lo que nos rodea, se compone de múltiples combinaciones de estos 92 elementos. Existen elementos más pesados, que van desde el neptunio (93) siguiéndonos hasta el extraoficialmente llamado Ununoctio (118), aunque con la excepción de las trazas de neptunio y plutonio (94), estos no se encuentran de forma natural en la Tierra.

 

Las estrellas nacen

¿Cómo hicieron todos los elementos químicos para llegar a la existencia?

Cientos de millones de años después del Big Bang, aproximadamente unos 13 mil millones de años en el pasado, el hidrógeno y el helio en el universo temprano comenzaron a coalescer en nubes de gas, que, a su vez, colapsaron y formaron las primeras estrellas. La gravedad hizo que estas estrellas recién nacidas se contrajeran, calentando sus núcleos a temperaturas lo suficientemente altas como para encender su hidrógeno y provocar su fusión en helio.

universo temprano

Imagen: Science: NASA and K. Lanzetta (SUNY). Art: Adolf Schaller for STScI.

Este fue el primer eslabón de una cadena de reacciones termonucleares que, según el tamaño de la estrella y su destino, provocaron la génesis de todos los otros elementos químicos hasta el californio, el elemento 98. (Los físicos creen que los elementos más pesados ​​que este se producen sólo en los aceleradores de partículas) Imagínate comenzar a cocinar con un solo ingrediente natural y, después de una larga cocción en el horno, terminas con todos los otros ingredientes naturales posibles. Esto es lo que el universo hizo con el maravilloso hidrógeno.

La quema de H a He es lo que nuestra estrella, el Sol, hace para sobrevivir. En el calor abrasador de su núcleo (de unos 27 millones de °F) la reacción de los cuatro núcleos de hidrógeno fusionándose para convertirse en un núcleo de helio ocurre una y otra y otra vez. Cada segundo, el Sol convierte unos 500 millones de toneladas de hidrógeno en helio. (Y por cada átomo de helio que se forma, son emitidos aproximadamente un billón de fotones desde la superficie del sol. Por eso es que llevamos lentes de sol.)

 

Cocinando elementos.

Nuestra estrella nos permite subsistir, pero en la etapa de la vida en que se encuentra, no es capaz de proporcionarnos elementos más pesados ​​que el helio. No es lo suficientemente masiva. En el caso de estrellas más masivas que la nuestra, hablamos de aproximadamente ocho veces su masa, la gravedad es suficiente para comprimir el núcleo lo suficiente como para desencadenar las reacciones nucleares que producen elementos más pesados, empezando por el carbono (elemento 6) y oxígeno (8). En tales núcleos, el calor es lo suficientemente alto, de unos 180 millones de °F, para forzar a los tres núcleos de helio a fundirse en un núcleo de carbono, o cuatro núcleos de helio en un núcleo de oxígeno, millones de veces. Esto sucederá con el sol cuando se convierta en una gigante roja en unos cinco millones de años.

sol

Foto: NASA

En las estrellas más masivas, mayores a las ocho masas solares, la fuerza de gravedad impulsa la temperatura en el núcleo de modo tan extravagantemente alto que desencadena las reacciones termonucleares que crean los elementos de toda la tabla hasta el hierro (26). A los 1,080 millones de °F, el carbono se funde en neón, a 2,700 millones de °F, el oxígeno se funde en silicio, y a los 7,200 millones de °F, el silicio se funde en hierro.

El hierro, por desgracia, marca un punto de inflexión a destacar cuando se habla de la fusión de elementos cada vez más pesados en el núcleo de las estrellas. Durante todo el camino hasta el hierro, cada vez que se produce una nueva reacción de fusión, se libera un poco de calor. Con el hierro, no hay una reorganización de los núcleos que pueda generar más energía. Pero las estrellas siguen formando elementos más pesados ​​que el hierro, incluyendo a los adorados como la plata y el oro, los peligrosos como el radón y uranio, y los que nunca has oído hablar como el praseodimio e iterbio.

 

Dos caminos.

Las estrellas cuentan con dos formas de producir estos elementos más pesados que el hierro.

El primer escenario ocurre en las gigantes rojas. Estas son las estrellas que ya han quemado todo el hidrógeno presente en sus centros. Cuando eso sucede, la estrella se vuelve, como el astrofísico Craig Wheeler ha dicho, un tanto esquizofrénica: El núcleo pierde energía, se contrae, y se calienta hasta que el sobrante -el resto de la estrella fuera del núcleo- gana energía, se expande, y enfría (y parece más roja). La expansión es tremendamente masiva: cuando nuestro Sol se convierta en una gigante roja, crecerá tanto que va a engullir y a evaporar a los planetas interiores, incluyendo la Tierra.

Algunas gigantes rojas duran el tiempo suficiente como para crear elementos más pesados ​​que el hierro en sus núcleos a través de algo que se llama el proceso-s, por lo lento (Slow). En una escala de tiempo de miles de años, el proceso-s puede dar lugar a la fabricación de elementos de toda la tabla hasta bismuto (83). Estos se desprenden de la superficie de la estrella por convección y viajan hacia el espacio a través del viento de la estrella estelar. Parte de ese polvo de estrellas muy disperso hace que tú existas en este momento.

 

La verdadera explosión.

Los elementos más pesados ​​que el bismuto sólo surgen mediante el proceso-r, por Rapid. ¿Qué tan rápido? Segundos. El proceso-r es lo que pasa cuando una estrella explota en una supernova. Es fácil para nosotros pensar en estrellas tan duraderas que esencialmente son para siempre, pero las estrellas más masivas sobreviven tan sólo unos pocos millones de años -un momento cósmico, en realidad- y ​​cuando se van, se van muy rápido.

¿Qué pasa? Cuando una gigante roja llega a la etapa de haber fusionado todos sus elementos más ligeros y se queda con un núcleo de hierro, la estrella se vuelve incapaz de mantener el equilibrio – la energía térmica que empuja hacia afuera a la gravedad. De repente la gravedad se lleva la partida, colapsando todo el núcleo de una vez en miles de millones de veces la densidad de la Tierra. La estrella entonces es la protagonista de un cataclismo astronómico. Durante un breve período, brilla tan intensamente como una galaxia entera y libera más energía que nuestro Sol en su vida de 10 mil millones de años.

En los primeros segundos, los protones en los átomos creados durante la vida de la estrella chocan con los neutrones de alta energía, configurando en un instante todos los elementos naturales más pesados ​​que el bismuto hasta el uranio, e incluso algunos elementos de corta vida aún más pesados, como el plutonio y californio. Todos ellos explotan en el espacio a millones de kilómetros por hora, sembrando el circundante medio interestelar con átomos que eventualmente terminan en nuevas estrellas, nuevos sistemas solares, así como, en este caso, dentro de ti.

 

Tu nacimiento.

Con el tiempo, las nubes moleculares de gas y polvo en el espacio profundo se desarrollan a partir de estos elementos esparcidos y comienzan a contraerse bajo su propia gravedad. Estas nubes son casi todo hidrógeno y helio, pero también tienen una dispersión de elementos más pesados. Y los elementos más abundantes comienzan a ensamblarse en moléculas simples como el agua (H2O) y otros más complejos como el glicoaldehido (C2H4O2). Los astrónomos pueden identificar estos compuestos y elementos individuales utilizando espectrómetros.

Carina Nebula

Nebula Carina Foto: Hubble Image: NASA, ESA, N. Smith

Eventualmente, una especie de primitiva estrella llamada protoestrella se forma, con un disco de material que rodea a lo que eventualmente serán planetas. Este proceso ocurrió en nuestro propio sistema solar hace unos cinco millones de años, lo que resultó en el sol, los planetas, y, cinco mil millones años más tarde, en ti.

El cómo estos átomos y moléculas que terminaron en nuestro planeta pasaron de lo no vivo a la vida sigue siendo una de las grandes preguntas sin respuesta en la ciencia. Pero la teoría de donde vinieron los elementos hasta ahora ha satisfecho a muchos astrofísicos. Es una historia increíble, ¿verdad?

 

Bibliografía:

Altschuler, Daniel R. 2002. Children of the Stars: Our Origin, Evolution and Destiny. Cambridge University Press.

Wheeler, J. Craig. 2007. Cosmic Catastrophes: Exploding Stars, Black Holes, and Mapping the Universe. Cambridge University Press.

Zeilik, Michael, 2002. Astronomy: The Evolving Universe, 9th edition. Cambridge University Press.

Vía: pbs.org

Ciencia, Especiales

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  • Cesar Dic 24, 2013

    Excelente articulo, entonces los caballeros del zodiaco tenian razon, tenemos un cosmo dentro de nosotros jajaja xDD

  • yanimeacuerdo Dic 24, 2013

    en resumen para el que le dio gueva leer dice:
    “estamos echos de polvo de estrellas”
    el henry manuel andaba inspiradon el dia de hoy

  • Hermosillo, Sonora, Mexico. Abr 3, 2014

    Que dato tan interesante. Gracias por compartirlo.

  • travis Abr 10, 2016

    y yo aqui sentado en frente del computador… deaaaa!! es dificil de imaginar pero asi debe de ser…

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