La nucleosíntesis primordial

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.

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. Más tarde sería George Gamow (1904-1968) (foto de la izquierda), 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.

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, 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.

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.

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.

El problema del litio

Hemos visto  algo de la historia de cómo evidencias como la Fondo Cósmico de Microondas (CMB) apoyan la teoría del Big Bang y también qué entendemos con “Nucleosíntesis Primordial”.

La teoría del Big Bang predice con cierta exactitud las cantidades de elementos que se habrían creado en esos primeros instantes del Universo.

Pero aquí llegamos a uno de los grandes problemas a los que astrofísicos, físicos y químicos se han enfrentado desde que esta teoría fue formulada, el problema del Litio.

Mientras que las cantidades de Helio medidas concuerdan con muchísima precisión a lo predicho por la teoría y es una fuerte evidencia en la que se apoyan actualmente los cosmólogos para apoyarla, con el Litio está sucediendo todo lo contrario.

La cantidad medida de Litio (⁷Li) en el universo es inferior a la que podíamos esperar, del orden de 2 a 4 veces inferior que lo predicho en la teoría. En el caso de ⁶Li, un isótopo más ligero, el resultado es aún peor y sólo encontramos la milésima parte de lo que podíamos esperar.

“Si la discrepancia observada con el litio persiste y no hay respuestas astrofísicas, eso significa que hay algo incorrecto”- Así de rotundo se muestra Gary Steigman (State University-Ohio).

Muchos son los científicos que plantean una revisión a fondo de la teoría, dados los nuevos datos y las observaciones cada vez más precisas que hacen que las cantidades que faltan sean cada vez mayores. Se plantean varias hipótesis como perturbaciones quánticas en la RCF, partículas supersimétricas o la existencia de otras partículas exóticas en esos primeros instantes del Universo para arrojar algo de luz sobre este problema que de no solucionarse satisfactoriamente lleva a algunos científicos a dudar de una teoría que hoy por hoy explica de manera bastante satisfactoria esos primeros instantes de nuestro Universo.

La teoría del Big Bang en cuanto a la nucleosíntesis primordial, predice la abundancia de cada elemento ligero relacionándolo con un parámetro, la relación fotón-barión. Este parámetro, no sólo representa una evidencia para la famosa Materia Oscura, si no que sirve para conocer si el universo se expandiría o colapsaría. La suma de protones y neutrones (bariones) en relación a la suma total de fotones es el parámetro que se analiza.

Observando galaxias y estrellas antiguas que estén desprovistas de elementos pesados, podemos inferir la abundancia relativa de elementos primigenios, actualmente con los nuevos aparatos que nos dotan de una mayor precisión en las observaciones, esto esta resultando mucho más sencillo.

No obstante, obtenemos unas mediciones aún más precisas analizando las pequeñas diferencias de temperatura en la RCF e incorporando la relación fotón-barión. Así se obtienen datos de cómo deberían ser las proporciones de elementos ligeros y compararlos con las medidas existentes actualmente. Esta es una de las claves según nos confirmó el propio Philip James E. Peebles (Univ. de Princenton) en la conferencia del pasado 21/04/2015 en Madrid. Fue uno de los primeros en predecir las cantidades de elementos ligeros allá por 1965.

Después de analizar los datos, la concordancia entre las cantidades de Deuterio por ejemplo son casi exactas, y de Helio son bastante aceptables.

Andreas Korn (Univ. de Upsala), cree que resolveremos el problema del litio indagando y conociendo más sobre la formación de estrellas, ya que él y su equipo afirman que el Litio, no sobrevive a la mezcla que se forma en la superficie durante creación de las estrellas más antiguas, ya que desaparece en las corrientes de convección de las mismas y la cantidad perdida podría explicar la gran diferencia existente actualmente. Su línea de investigación pretende encontrar nuevos datos que refuercen esta hipótesis.

Otra de las líneas de investigación, se está llevando a cabo por el equipo de Alessio Mucciarelli (Univ. de Bolonia) usando VLT de ESO. Se están centrando en el cúmulo denominado Messier 54 desde que se descubrió que no pertenecía a nuestra galaxia, sino a una pequeña galaxia satélite nuestra, la de Sagitario. En este cúmulo, se aprecia el mismo problema que en la Vía Láctea sobre el problema del Litio, con lo que no es un problema exclusivo de nuestro entorno.

El 19 de febrero de 2015 nos encontramos con dos publicaciones en Nature que si bien no resuelven el problema, arrojan luz sobre la producción de Litio en nuestro Universo.

En dichas publicaciones, no sólo confirman las teorías que apuntaban a otras fuentes de producción de Litio que no fuesen los instantes iniciales del Universo que hoy conocemos si no que también es la primera vez que tenemos comprobación observacional mediante mediciones que han detectado berilio radiactivo ⁷Be que se transforma en litio ⁷Li en una explosión de nova en el espacio. El equipo compuesto por astrofísicos japoneses, han usado el Telescopio Subaru para analizar las cantidades de ⁷Be durante la explosión de la nova V339 Del (Nova Delphini 2013).

Este hallazgo, confirma la teoría que plantearon en la década de los noventa investigadores españoles y que es crucial para entender la evolución del contenido de Litio en nuestra galaxia y en el Universo observable.

Margarita Hernanz, del ICE (CSIC-IEEC) autora principal del estudio junto con su equipo en España, desarrollaron modelos detallados de la producción de Litio en esas novas. Junto con el artículo de los investigadores japoneses, M. Hernanz publica un artículo “News & Views” en el número 518 de Nature sobre los nuevos hallazgos que validan la teoría que manejaban.

En palabras de la investigadora que han aparecido en diversos medios: “La fusión de ³He y ⁴He forma ⁷Be, un núcleo radiactivo con una vida media de 53 días que se transforma en 7Li”. “El ⁷Be recién producido en las proximidades de la superficie estelar debe ser transportado a zonas más frías antes de desintegrarse, para evitar la destrucción de su núcleo hijo, ⁷Li, una vez creado.” “Este es el mecanismo de transporte del ⁷Be para producir ⁷Li en las estrellas, predicho en los años cincuenta por Cameron y Fowler”, explica la investigadora.

Refiriéndose a que la cantidad de ⁷Be-⁷Li observado es similar o mayor que la prevista, dice: “Esto podría significar que las novas jugaran un papel más importante de lo que se creía como fuentes del litio galáctico,” concluye Hernanz.

En 1996, Margarita Herranz publicó junto con los investigadores J. José (UPC-IEEC), A. Coc (CSNSM-IN2P3) y J. Isern (CSIC-IEEC), el primer cálculo detallado de la síntesis del litio en novas, en la revista Astrophysical Journal Letters.

Lo que está claro es que habrá que seguir buscando explicaciones al problema del Litio, pero como todo en ciencia, aún hay recursos para explorar, cosas que podemos comprender mejor, mecanismos que aún desconocemos, porque la Ciencia nunca se acaba. Cuando resolvemos un enigma, surgen un montón de nuevas y apasionantes incógnitas, retos para los científicos del presente y del futuro.

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Referencias

• Conferencia: “El descubrimiento de la expansión del universo” por el Prof. James E. Peebles (Madrid – 21/04/2015).
• Libro: “La Química del Universo y el Origen de la Vida” Jesús Martín Pintado
• Conferencia: “Inflación: el estadio embrionario del Universo” por el Prof. Juan García-Bellido (Madrid-14/11/2014).
• Diversos estudios del JPL (Jet Propulsion Laboratory) de la NASA
• Planck collaboration (2013). «Planck 2013 results. Overview of products and scientific results». arXiv:1303.5062.
• Lithium: The hole in the big bang theory
• Libro: “La creación del Universo” George Gamow, 1952
• Libro: “Las raíces cósmicas de la vida” Josep M. Trigo Rodríguez
• Libro: “La Química del Universo y el Origen de la Vida” Jesús Martín Pintado
• Noticia: http://noticiasdelaciencia.com/not/12778/descubierto-litio-en-una-explosion-estelar/
• Artículos: Tajitsu, A., Sadakane, K., Naito, H., Arai, A. & Aoki, W. Nature 518, 381-384 (2015)
• Hernanz, M. “A lithium -rich stellar explosion”. Nature 518, 307-308 (2015)
• Hernanz, M., José, J., Coc, A. & Isern, J. Astrophysical Journal Letters 465, L27-L30 (1996)
• Diversas conferencias de los ciclos de Astrofísica y Cosmología de la Fundación BBVA convocadas desde 2011 hasta junio de 2015, entre ellas:
• Conferencia: “El descubrimiento de la expansión del universo” por el Prof. James E. Peebles (Madrid – 21/04/2015).

Asesoramiento en cuestiones físicas: Juan Carlos Rodríguez Martorell

Fotografías

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

Sugerencia

Recomiendo este póster 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