"Somos polvo de estrellas"

Y lo realmente hermoso de la metáfora de Carl Sagan que titula esta entrada, es que esconde un significado más profundo y científicamente correcto. ¿Por qué digo esto? Me explico:

Poco después del Big Bang, toda la materia del Universo estaba exclusivamente en forma de Hidrógeno (aprox. 75%) y Helio (aprox. 25%), no existía ningún otro elemento químico. Y no podía existir, por cierto. El Universo estaba muy caliente e inestable como para permitir la formación de núcleos atómicos más complejos, recién mucho tiempo después sería posible generar más elementos químicos.

Mientras el Universo se enfriaba, las partículas de hidrógeno y helio fueron concentrándose en muchos puntos del espacio por acción de la gravedad, formando pequeñas "nubes" que fueron aumentando en masa gradualmente conforme atraían mayor cantidad de átomos. Este crecimiento trajo también un aumento en las fuerzas gravitacionales y compactó la "nube" haciéndola cada vez más pequeña.

Tuvieron que pasar aproximadamente 700.000 años después del Big Bang para que sea posible formar átomos más pesados, con un proceso llamado fusión nuclear. La fusión nuclear consiste en la unión de dos núcleos atómicos para formar otro más pesado y con mayor número de protones; la cantidad de protones indica el elemento químico asociado a un núcleo, así un núcleo con 42 protones es el núcleo de un átomo de molibdeno, uno con 79 es de oro, etc. La fusión nuclear es sumamente difícil de conseguir; los núcleos se repelen fuertemente debido a la fuerza eléctrica entre ellos (ambos núcleos tienen carga eléctrica neta positiva) y para conseguir la fusión, hay que vencer la fuerza eléctrica de repulsión y hacer que los núcleos estén suficientemente cercanos para que otra fuerza fundamental de la naturaleza, la fuerza nuclear fuerte (mucho más fuerte que la eléctrica, pero de muy corto alcance) se encargue de unirlos.

Como la "nube" de hidrógeno y helio se hacía más compacta, en poco tiempo se alcanzaron las condiciones necesarias para mantener juntos los núcleos atómicos durante el intervalo necesario para lograr la fusión. Con el inicio de la primera fusión nuclear del Universo se creo la primera estrella.

En el interior de la nueva estrella había tantos núcleos atómicos juntos en un espacio tan pequeño que la fusión se producía de manera constante y estable, emitiendo energía en forma de radiación y neutrones libres (que portan energía cinética).

Al principio, la fusión producía solo helio a partir del hidrógeno y sus isótopos, ya que la fusión de elementos más ligeros era más fácil de realizar. Cuando todo el hidrógeno se consumió para producir helio, las reacciones de fusión cambiaron repentinamente, ya que la fusión de helio produce solo una cuarta parte de la energía liberada por la fusión de hidrógeno. Este cambio en energía liberada por cada reacción de fusión hizo que la estrella aumente enormemente su diámetro.

En este punto conviene comentar dos puntos:

• En el interior de una estrella se tienen dos "tendencias" opuestas: la presión interna (causada por la degeneración electrónica y por la compresión de los gases) que tiende a expandir el radio de la estrella; y la fuerza gravitacional que tiende a reducir el radio. Durante los procesos estables de fusión, se logra un equilibrio entre ambas tendencias, por lo que el radio de la estrella no cambia.
• La vida de una estrella está definida por su masa, si una estrella tiene una masa superior a 2.25 masas solares, los procesos que ocurran en el interior de la estrella serán muy diferentes a las de las estrellas más ligeras.

La historia de las estrellas ligeras acaba después de quemar todo el helio, cuando ya no es posible ninguna fusión nuclear. Entre los restos de la estrella apagada se encuentran grandes cantidades de carbono y oxígeno, estos restos son expulsados al espacio como efecto de las reacciones violentas que suceden en los últimos instantes de vida de la estrella.

Las estrellas masivas y supermasivas, por otro lado, tienen una historia mucho mas turbulenta, interesante y... corta. En ellas, la presión de degeneración electrónica es insuficiente para prevenir un colapso gravitacional, por lo que cada vez se funden elementos más pesados como resultado del confinamiento nuclear. Esto significa que la presión gravitacional es suficiente para producir elementos químicos muy pesados, siendo el más pesado de ellos el hierro. Antes de alcanzar la producción de hierro, la estrella produce azufre, helio, silicio, neón, aluminio, sodio, oxígeno y trazas de otros elementos. Las reacciones de elementos pesados liberan cada vez menos energía, y la estabilidad de la estrella se ve muy comprometida.

Distribución de elementos químicos en una estrella supermasiva

La fusión nuclear en las estrellas masivas se detiene en el hierro, porque a partir de ahí, las reacciones de fusión consumen energía en lugar de liberarla. Cuando una estrella supermasiva alcanza este punto, no hay nada que pueda evitar el colapso gravitacional. Este colapso puede convertir a las estrellas en algo totalmente nuevo, y el resultado final del colapso depende una vez más de la masa.

Las estrellas masivas, justo antes de colapsar y convertirse en estrellas de neutrones, "convierten" su energía potencial gravitatoria en energía cinética y neutrinos súper energéticos, que entregan la energía necesaria para producir elementos más pesados que el hierro. Los restos son eyectados al espacio a altísimas velocidades, formando lo que se conoce como supernova, en cuyo centro se encuentra la recién formada estrella de neutrones.

La estrellas con aun más masa (las llamadas supermasivas) pasan por el mismo proceso (incluida la supernova), pero la transición es mucho más violenta y produce un resultado final que "rompe" el espacio-tiempo mismo: agujeros negros.

Así vemos que la vida (y, especialmente, la muerte) de las estrellas proveyó al Universo los "ladrillos" necesarios para producir la gran variedad de químicos que existen en la actualidad. El oxígeno que respiramos, el hierro en nuestra sangre, el calcio en nuestros huesos, el carbono en todas nuestras células y cada uno de los átomos de nuestro ADN; todos ellos, sin excepción, fueron construidos en el interior de alguna estrella.

Dejanos tu comentario y discutamos este tema.

Teoría del Big Bang: Así empezó todo

El Big Bang (gran explosión) es una teoría científica que explica el desarrollo temprano del Universo. Esta teoría indica que el Universo empezó con una singularidad en el espacio-tiempo en el que toda la materia y la energía del universo estaban concentradas en un solo punto, lo que hacía que la densidad de materia sea infinita.

Esta teoría surgió cuando los astrónomos se dieron cuenta de que todas las galaxias del universo se alejaban de nuestra galaxia (Vesto Slipher, 1912), se calculó la relación entre la distancia de una galaxia a la nuestra y la velocidad de su alejamiento (Edwin Hubble, 1929) y concluyendo que en un pasado remoto todas las galaxias estaban mucho más próximas entre sí (Lemaître, 1931). Al aplicar las ecuaciones de la relatividad general de Einstein a este modelo, los resultados definieron un modelo de Universo en expansión, que revolucionó y volvió obsoleto el modelo anterior de Universo estático. Estas fueron fuertes evidencias para la teoría, que en sus inicios recibió una dura resistencia de los cosmólogos no familiarizados con la idea.

Con el paso del tiempo, la teoría recibió más evidencia a favor, lo que hizo que gradualmente fuera aceptada por la totalidad de los científicos. Una evidencia fundamental fue el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1964 (fenómeno que ya había sido predecido por Gamow en 1948), que consiste en un tipo de radiación electromagnética que inunda al universo desde su inicio y es resultado de las condiciones extremas que se tuvieron al principio del universo, donde la radiación era tan fuerte que impedía el desarrollo de materia estable; recién después de reducirse la densidad de materia (al expandirse el universo) el universo se "enfrió" y permitió la formación de materia estable.

Un factor que, hasta hace poco tiempo, ignoraban los cosmólogos era el de la velocidad de expansión del universo. La velocidad podía ser constante, acelerada o desacelerada; dependiendo de la cantidad de materia que contiene el Universo. Si el universo contiene más materia que la necesaria para el equilibrio (Universo Supercrítico), la fuerza gravitacional haría que la expansión sea cada vez más lenta y en algún momento en el futuro lejano, la expansión se frenaría y comenzaría producirse lo que se denomina el Big Crunch, que sería un proceso opuesto al Big Bang, donde toda la materia se reuniría de nuevo para formar un nuevo Big Bang. Por otro lado, si el universo contiene menos materia (Universo Subcrítico), la expansión sería cada vez más rápida y las galaxias estarían cada vez más separadas; si ese es el caso, el universo nunca llegará a un fin propiamente dicho pero la vida sería imposible después de alcanzar la "muerte térmica de Universo" cuando ningún proceso en absoluto es realizable.

Como decía, hasta hace poco la velocidad de expansión era desconocida. Uno de los descubrimientos fundamentales de la última década es el de la expansión acelerada; se ha demostrado que el Universo se expande cada vez más rápidamente, sin embargo esto está causado por la existencia de una clase completamente nueva de materia y energía, la materia y energía oscura; cuyas propiedades están siendo estudiadas aún.