La nucleosíntesis primordial – 1. Historia y conceptos

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María Magdalena Fernández Puertas >

Según la cosmología física, podemos definir la “Nucleosíntesis Primordial” como el periodo justo después del “Big Bang” en el que se formaron determinados elementos ligeros como el 1H y su isótopo Deuterio 2H; isótopos del Helio 3H y 4H y del Litio 7Li y 6Li; y algunos isótopos inestables o radiactivos: Tritio 3H y los isótopos del Berilio en cantidades despreciables 7Be y 8Be.

Vamos a repasar un poco, a la luz del conocimiento actual, como se cree que fueron esos primeros instantes iniciales de nuestro Universo.

El “Big Bang” a grandes rasgos

Según a las últimas observaciones, más precisas que las anteriores, gracias al Planck Collaboration (2013), los científicos establecen una cifra de 13.798±0,0037 millones de años para establecer el momento del comienzo del Universo que conocemos.

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Actualmente llamamos a ese primer momento como “Big Bang” o “Teoría del Big Bang”. Es irónico que tenga ese nombre, ya que fue acuñado por uno de sus mayores detractores, Fred Hoyle, quién utilizó ese término precisamente para ridiculizar la teoría en un programa de televisión en 1950.

El término no es muy adecuado, ya que se trata de una expansión acelerada y no de una explosión, pero parece que al público de esa época le gustó y quedó definido así desde entonces lo que previamente se conocía como “modelo de Friedmann-Le maître.

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Más tarde sería George Gamow (1904-1968)(Foto 2) Físico y astrónomo ucraniano, el que presentó las bases de la teoría del Big Bang en 1948, tal y como hoy se conoce, y predijo la Fondo Cósmico de Microondas (CMB).

En la radiación, enfriada por la expansión, podía observarse esa CMB en la zona de microondas del espectro electromagnético.

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Sería años más tarde, cuando esa predicción tomaría importancia. Arno Penzias (1933-) y Robert Wilson (1936-) se dieron cuenta que el “ruido de fondo” que captaban con su radio-antena y que no podían eliminar por más esfuerzos que hiciesen, ya que estaba en cualquier lado al que apuntasen, tenía que ser la CMB.

Robert Dicke (1916-97) y Philip James E. Peebles (1935-) [este último contó esta historia en una conferencia dada el 21/04/2015 en Madrid y a la que tuve la suerte de poder asistir (Foto 3)], habían predicho años antes y sin tener conocimiento de los hallazgos de Gamow, la existencia de la CMB.

A pesar de que en 1978, Penzias y Wilson recibieron el Nobel por el hallazgo, en su discurso, Penzias, describió al detalle el trabajo de Gamow y sus colegas, dándole su merecido reconocimiento.

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Actualmente la teoría del Big Bang Ha evolucionado mucho gracias a los nuevos instrumentos que han permitido a los científicos obtener muchos más datos del CMB.

Se describe un periodo inicial de rápida expansión o inflación y fruto de esa expansión, una gran cantidad de energía, empezó a manifestarse desde el nivel cuántico. Se producen rupturas de simetría que dan lugar a las fuerzas que hoy conocemos.

Cuando apenas habían transcurrido 10-36 s tras el Big Bang, la energía empezó a condensarse en un denso plasma formado por partículas con mucha masa, que se movían con velocidades enormes, cercanas a las de la luz. Aparecían por parejas desde la forma de energía no condensada, para aniquilarse mutuamente un instante después de aparecer, volviendo a la forma de energía.

Mientras que el Universo se expandía y se enfriaba, la densidad de energía descendió hasta que las partículas virtuales ya no podían formarse. Su lugar lo ocuparon los quarks, gluones y electrones con sus respectivos opuestos de antimateria. Estas partículas, al tener una masa mucho menor, son más estables y por tanto más longevas, lo que permitió formar la materia de la que está hecho todo lo que vemos.

Cuando el Universo hubo alcanzado los 10-5 s de edad, ya habían sobrevenido más de 100 etapas. Entonces se produce la 3ª ruptura de simetría que entre otras cosas se cree que produjo un exceso de quarks respecto a los anti-quarks, rompiendo la paridad en una parte por billón. Este diminuta diferencia en el exceso de partículas hace que las mismas no tengan antipartículas con las que aniquilarse y serán las protagonistas a partir de ese momento.

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La temperatura del Universo desciende hasta los diez mil millones de Kelvin. A esa temperatura la energía de los quarks que sobreviven a las aniquilaciones disminuye hasta permitir su confinamiento mediante “cuerdas” de gluones. Entonces se agruparon en parejas quark-antiquark formando mesones y de 3 en 3 formando bariones. De las 6 familias de quarks que actualmente se conocen, los quarks up y los quarks down son los más conocidos ya que dos quark down y uno up forman un neutrón, dos up y uno down forman un protón. Protones, neutrones y electrones reciben el nombre de partículas subatómicas.

Comienza la nucleosíntesis

Tras 3 minutos después del Big Bang, la temperatura ha descendió hasta los mil millones de Kelvin. Es entonces cuando los protones y neutrones pueden comenzar a combinarse para dar lugar a los núcleos atómicos de los elementos más sencillos que se conocen: protio, deuterio, tritio, helio-3, helio-4 y litio, junto con cantidades marginales de elementos más pesados.

Los isótopos formados serán un 75% formas de hidrógeno H (protio, deuterio y tritio); un 23% formas de helio (helio-3 y Helio-4); y un 2% formas de litio Li y berilio Be.

A la temperatura de mil millones de grados Kelvin los electrones aún se movían frenéticamente. No fue hasta los 380.000 años de edad del Universo cuando la temperatura descendió por debajo de los tres mil Kelvin y la atracción electromagnética fue entonces capaz de capturar los electrones entorno a los núcleos. Es así como nacen los primeros átomos neutros del Universo y este, se vuelve transparente como lo vemos ahora.

Tras esta introducción de qué es la Nucleosíntesis primordial y en qué momento hay que ubicarla, veremos qué problemas se nos plantean en la actualidad en referencia a este tema.

Continúa en la segunda parte >>


Referencias:

Asesoramiento en cuestiones físicas: Juan Carlos Rodríguez Martorell

Fotografías:

  • Diversas fuentes de Internet.
  • NASA
  • IFT-CSIC

Sugerencias:

Recomiendo este poster del IFT-CSIC que ayuda mucho a resumir a grandes rasgos las etapas de nuestro Universo y a tener algo más claro su evolución.

http://projects.ift.uam-csic.es/outreach/images/posters/poster-cosmo-2014.pdf

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