El sueño de los alquimistas: la nucleosíntesis estelar

Jesús María Diez Martín »

¿Cuál es el origen de los elementos de nuestra tabla periódica?, ¿podemos transmutar un elemento en otro? Esa pregunta aparentemente tan sencilla encierra una armonía perfecta, instrumentalizada por las fuerzas fundamentales de la física, por las partículas más elementales, por las reacciones más precisas y bellas de la naturaleza, y por supuesto, en su génesis se encuentra el abrumador brillo de las lejanas estrellas.

A día de hoy conocemos 118 elementos de la tabla periódica de los cuales hasta Z=92 (uranio) aparecen de manera estable de la naturaleza. Nosotros tenemos la fortuna de caminar por el mundo de la ciencia “a hombros de gigantes” siendo así herederos de un conocimiento y de unos descubrimientos que nos han de alentar para tratar de dar un paso más allá, por ello es indispensable, empezar a conocer el principio de todo el Universo Primigenio, que nos ha dado todo desde hace 13,7 miles de millones de años, cuando comenzó a romperse la supersimetría cuántica que dio lugar a las partículas más elementales de la materia.

Sabemos que los elementos se componen fundamentalmente de un núcleo y su nube electrónica, y sabemos que ese núcleo lo integran los llamado nucleones (neutrones y protones), los cuales a su vez, están compuestos por otras partículas aún más elementales, concretamente de una combinación de tres quarks¹unidos por gluones².

Al fin y al cabo, la diferencia en la composición de los núcleos de elementos tan dispares como el berilio (Be) y el oro (Au) “sólo” se hace patente en el número de nucleones que posee cada uno.

Y aunque ese “sólo” nos encauce a pensar que ello es un hecho nimio, realmente, ahí reside una de las cuatro fuerzas fundamentales de la física³ (la fuerza nuclear fuerte), porque en este caso, para vencer la fuerza electrostática de repulsión de las partículas, es imprescindible la interacción de esa fuerza para que dote de estabilidad al núcleo. Sin embargo, esta reacción nuclear sólo ocurre de manera espontánea a temperaturas muy elevadas y en las regiones más profundas de éstas estrellas.

Las teorías cosmológicas actuales y las investigaciones en dicha materia, apuntan a que la temperatura alcanzada tras el Big Bang⁴, no permitió formar estructuras complejas, y que fue con el enfriamiento paulatino cuando las colisiones entre los hadrones dieron lugar a la formación de los primeros núcleos químicos que son hidrógeno (H), helio (He) y un ínfimo porcentaje de litio (Li), los dos primeros, no por casualidad, son los elementos más abundantes en el universo conocido.

Y ello es, porque contrariamente a lo que inicialmente se creía sobre el Big Bang, el enfriamiento que se produjo tras la expansión inicial del universo ocurrió a una velocidad y a una magnitud que impidió nuevas reacciones nucleares. Por tanto hubo que esperar a que el propio Universo creara a las estrellas, quienes funcionarán para nuestro beneficio como reactores nucleares.

Una estrella es una gran bola de gas, que sobrevive gracias a esas reacciones, producidas en sus regiones más profundas, así, en el momento en que se agota el hidrógeno de esa zona central, la estrella se contrae ligeramente, lo que hace aumentar la temperatura de su zona central y su densidad, al llegar a una temperatura cercana a los cincuenta millones de grados, se produce una reacción en la que tres núcleos de helio (He 4), darán lugar a un carbono (C 12).

En el caso del Sol, debido a su tamaño éste sería su límite, pero las estrellas mayores, permitirán nuevas y asombrosas reacciones nucleares, ya que un núcleo de carbono (C )unido a uno de helio (He), dan lugar a oxígeno (O 16).

A quinientos millones de grados centígrados, se dan fusiones de carbono (C ) en magnesio (Mg) y rayos gamma, y de manera sucesiva se fueron creando diferentes núcleos atómicos en el corazón de las estrellas, de todos ellos, el hierro (Fe) es el nucleo más estable de todos, lo que hace que los núcleos mayores se hayan producido por una adición de núcleos más pequeños en la explosión de las supernovas.

La cual se produce por la rápida contracción de la estrella tras la fusión del silicio (Si) en hierro (Fe), lo cual hace que sobre el núcleo interior caigan las capas exteriores, rebotando en una violenta explosión de gran luminosidad. El polvo cósmico generado, es rico en núcleos pesados, permitiendo la creación nuevas generaciones de estrellas con sus respectivos sistemas planetarios.

Esto ha permitido quoe la producción de elementos ocurriese de manera sucesiva, fusionándose en diferentes generaciones de estrellas de complejidad creciente, aumentando así la diversidad de los elementos químicos, a lo largo de millones de años.

Es esta continua expansión, lo que se cree llevará al fin del Universo tal y como lo conocemos, ya que el elemento primordial para que se den las reacciones -el hidrógeno– se halla en cantidades cada vez menores en cada nueva estrella creada y ello llevará hipotéticamente a un enfriamiento del Universo por la nula creación de estrellas, en la teoría cosmológica del Big Freeze.

Notas

1. Quark; Partícula fundamental con carga eléctrica fraccionaria.
2. Gluón; Partícula portadora de la interacción nuclear fuerte, sin masa y con espín entero (como el fotón) que además posee carga de color.
3. Fuerzas elementales (gravitacional, electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte).
4. Big Bang: Teoría cosmológica que afirma que el Universo nació de un sólo punto contenido en el espacio y que a partir de ahí se encuentra en expansión.

Referencias bibliográficas e imágenes

• “Introducción al Mundo Cuántico”; Jou, David. 2012
• “Breve Historia de la Química”; Asimov, Isaac. 1975
• “Biografía de la Física”; Gamow, George; 1960
• “Cosmos”; Sagan, Carl; 1980
• Sociedad Española de Astronomía
• Blog cuentos-cuanticos.com
• Fotos de Ciencia de National Geographic

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