Nueva mirada al origen de los elementos

Desde un minúsculo grano de arena a un cúmulo de galaxias, el Universo (con permiso de la materia y la energía oscuras) rebosa de materia formada por átomos. Existen 93 variedades atómicas en forma natural, a las que hay que sumar dos docenas de especies sintetizadas artificialmente en el laboratorio. Sin embargo, no todas ellas presentan la misma abundancia: hidrógeno y helio son, con diferencia, las dos especies dominantes; el resto se agrupa en una caprichosa distribución irregular de abundancias que tiende a disminuir al considerar núcleos más y más pesados. De hecho, las causas del predominio de unas especies sobre otras y del perfil específico de las abundancias químicas observadas en el universo han dado lugar a acaloradas discusiones y desaforadas conjeturas.

Debemos nuestra propia existencia a una improbable combinación de factores, entre otros la existencia de las estrellas

Alquimia estelar

Cinco décadas después del descubrimiento de la radiactividad, los físicos Ralph Alpher, Hans Bethe y George Gamow propusieron que, en las extraordinarias condiciones que imperaban poco después de la explosión inicial (Big Bang), el Universo primitivo devino un verdadero horno en el que se cocinó la totalidad de la tabla periódica de los elementos. Sin embargo, estudios posteriores, corroborados por medidas de abundancias en estrellas muy viejas, han permitido entrever que el Universo primitivo era químicamente muy pobre: la síntesis de elementos durante las primeras etapas del Universo (la llamada nucleosíntesis primordial) se limitó a un puñado de especies ligeras: dos isótopos de hidrógeno (protio y deuterio), helio (helio-3 y helio-4) y litio (litio-7), producidos a temperaturas cercanas a los 10 elevado a nueve grados Kelvin, entre 200 y 1.000 segundos después de la explosión. El resto de especies químicas, desde el hierro presente en nuestra sangre al calcio de nuestros huesos, pasando por el silicio de los chips de ordenador, tuvo que esperar a la gestación de las primeras estrellas, unos 180 millones de años después.

Las estrellas constituyen verdaderas factorías de transformación nuclear, crisoles donde la materia primordial se forja en núcleos más y más complejos. Mediante episodios más o menos explosivos, las estrellas retornan parte de este material procesado termonuclearmente al medio interestelar; materia en la que, cual ave fénix, volverán a gestarse nuevas generaciones de estrellas, enriquecidas progresivamente en materiales más pesados que el hidrógeno y el helio. Sin el concurso de los procesos nucleares que tienen lugar en las estrellas no habrían aparecido jamás las moléculas de la vida. De hecho, debemos nuestra propia existencia a una improbable combinación de factores, entre otros a la existencia de las estrellas.

EuroGENESIS y el origen de las especies

Si en 1859 Charles Darwin publicaba su famoso tratado El origen de las especies, obra fundacional de la moderna biología evolutiva; un siglo después, en 1957, veían la luz dos trabajos pioneros sobre el origen de las especies químicas, publicados por E.M. Burbidge y colaboradores, y por A.G.W. Cameron.

Una iniciativa reciente que persigue arrojar luz en este campo, recogiendo el testigo de una miríada de esfuerzos anteriores, es el ambicioso proyecto EuroGENESIS . A través de un enfoque multidisciplinar y transnacional, este proyecto pretende ahondar en el origen de los elementos, a lo largo de los distintos episodios que configuran la historia nuclear del Universo, desde el Big Bang a nuestros días. Pretende también dar respuesta a cómo la materia presente en el cosmos, formada por estos mismos elementos, ha devenido compleja, hasta el punto de hacer posible la emergencia de la vida. Seleccionado en los prestigiosos proyectos competitivos EUROCORES de la European Science Foundation (ESF), EuroGENESIS nace con el objetivo de integrar, por primera vez, astrofísicos teóricos especialistas en la modelización de estrellas por ordenador; astrónomos observacionales que determinan las abundancias químicas del universo mediante telescopios terrestres y espaciales (o a partir de medidas de granos meteoríticos en el laboratorio); cosmoquímicos que estudian cómo se asocia la materia en el espacio hasta formar sólidos y eventualmente planetas capaces de albergar formas de vida; y físicos nucleares que proporcionan la información básica sobre el tipo de transmutaciones nucleares que se producen en las estrellas mediante esfuerzos experimentales y teóricos. EuroGENESIS, con un presupuesto de 2,5 millones de euros, agrupa varios centenares de especialistas de 16 países, a través de la participación de 29 centros de investigación, tan prestigiosos como el Instituto de Astrofísica de París, la Universidad de Washington (St. Louis, EE UU), tres institutos Max Planck, la Academia de Ciencias de Rusia o el laboratorio TRIUMF, en Vancouver (Canadá). España participa a través de cuatro instituciones: la Universidad Politécnica de Cataluña , el Instituto de Estudios Espaciales (CSIC, Bellaterra), el Instituto de Estructura de la Materia (CSIC, Madrid) y la Universidad de Huelva.

Cataclismos estelares

Un ejemplo ilustrativo del tipo de investigación multidisciplinar que se persigue lo brindan las novas clásicas, titánicas explosiones termonucleares de naturaleza estelar cuya teórica emisión gamma no ha sido nunca confirmada. De hecho, la detección de dicha emisión constituye un objetivo de misiones espaciales como Integral, de la ESA. Una de las señales gamma predichas por los modelos guarda relación con la desintegración del flúor-18 sintetizado en tales explosiones. Pero la detección de la correspondiente emisión gamma topa con un serio obstáculo: el desconocimiento del ritmo de destrucción de flúor-18 mediante colisiones con protones, cuya caracterización requiere complicados experimentos de física nuclear. Un mayor conocimiento de esta reacción no sólo mejoraría las predicciones teóricas de la emisión gamma de las novas sino que ayudaría también a esclarecer el origen de ciertas anomalías halladas en granos meteoríticos.

Este y otros desafíos de la astrofísica moderna sólo serán posibles a través de programas multidisciplinares como EuroGENESIS, que aboguen por combinar esfuerzos en la frontera de la investigación en astrofísica computacional, cosmoquímica, astronomía observacional y física nuclear.

Jordi José es investigador en la Universidad Politécnica de Cataluña y coordinador del proyecto EuroGENESIS