Economía circular en el espacio: polvo en el viento

Ya lo dijo una canción: “Todo lo que somos es polvo en el viento”, y dieron en el clavo. Que somos polvo de estrellas es algo que nos resulta familiar, no solo porque lo dijera Carl Sagan, sino porque, en 1957, la astrofísica Margaret Burbidge publicó el trabajo donde se demostraba que los elementos químicos se producen en el interior de las estrellas. La parte quizás menos conocida de esta historia es que sin un fenómeno conocido como vientos estelares no seríamos nada.

Comencemos por la vida. Su origen está íntimamente ligada a la historia química de los elementos que llamamos biogénicos (carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre) que se producen en esos calderos a millones de grados que constituyen el corazón de las estrellas. Estos elementos viajan a la superficie desde sus lugares de nacimiento en el núcleo y desde allí experimentan una compleja historia química. Es en las regiones que rodean las estrellas donde tienen lugar los procesos que hacen que parte del material pase de la fase gaseosa a la fase sólida (polvo) y de un compuesto químico a otro. A partir de ahí, ya sea mediante violentas explosiones de supernovas o mediante lo que llamamos vientos estelares más suaves, el fertilizante para la vida se inyecta en el medio interestelar donde tiene lugar la mezcla del material de ensamblaje del que estamos hechos. Comprender esta historia y su relación con nuestro origen es una de las cuestiones clave de la astrofísica moderna.

Como las familias infelices, no todos los vientos son iguales, cada uno lo es a su manera. Los tenemos tenues, densos, explosivos, esféricos, o en forma de churros que escapan solo en una dirección

Un viento estelar es, en sus efectos, parecido a los vientos a los que estamos acostumbrados en la Tierra (ambos empujan material) aunque en esencia no tienen nada que ver. El viento aquí abajo, en nuestro planeta, se produce por diferencias de presión asociadas a la temperatura y la gravedad. En las estrellas, el viento son protones, electrones y átomos de metales más pesados expulsados de su superficie. Pero, como las familias infelices, no todos los vientos son iguales, cada uno lo es a su manera. Los tenemos tenues, densos, explosivos, esféricos, o en forma de churros que escapan solo en una dirección y, como si estuviésemos lanzando un cohete, requieren una cierta velocidad (entre 2 y 10,000 km/s) para escapar de la atracción gravitatoria de la estrella que literalmente se está evaporando.

En el Sol, por ejemplo, el viento sopla de manera tenue y rápida. Nuestra estrella está rodeada por una envoltura de gases llamada atmósfera cuya manifestación más externa es la llamada corona solar, visible en los eclipses totales. Pese a que siempre afirmamos que la temperatura en la superficie del Sol es de 5,500 grados, la corona está formada por gas de muy baja densidad a una temperatura de 2 millones de grados. La energía adicional que calienta la corona debe provenir de los campos magnéticos del Sol. Parece ser que diminutas llamaradas magnéticas deberían tener colectivamente suficiente energía para provocar su calentamiento, aunque aún se desconoce el mecanismo exacto. Lo que sí sabemos es que es la corona la que provoca que sople un viento a una velocidad de 200 km/s en regiones tranquilas de la superficie y 700 km/s desde agujeros coronales y regiones activas. En la fase en la que está el Sol ahora expulsa solo una pequeña fracción de su masa con el viento, pero esto aún representa pérdidas de millones de toneladas de material cada segundo, que barre una cavidad en el espacio a la que llamamos helioesfera (esa región que las sondas Voyager han abandonado recientemente).

Las causas, la cantidad de material que se evapora y las velocidades de los vientos varían con la masa y la edad de la estrella. Así las estrellas calientes y masivas pueden producir vientos mil millones de veces más densos que los de las estrellas más pequeñas. Durante sus breves vidas, pueden expulsar hasta el 90% de la masa con la que han nacido a velocidades de más de 2.000 km/s. Gran parte del material de los vientos puede condensar en forma de moléculas, que van desde las simples como el hidrógeno molecular (H2) y el monóxido de carbono (CO) hasta especies más complejas como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) o los fullerenos que son moléculas de 60 átomos de carbono que el arquitecto Richard Buckminster Fuller puso de moda con sus estructuras geodésicas. También en los vientos se forma material sólido en forma de pequeños granos que llamamos polvo y que pueden tener una base de carbono (hollín y carburo de silicio) o de silicatos (óxido de aluminio, olivino, enstatita). Estos vientos estelares son impulsados directamente por la presión que los fotones (sin masa) ejercen sobre el material (con masa). Como si estuvieran impulsando un velero, los fotones empujan las partículas más grandes dándoles velocidad.

Los vientos son determinantes en la evolución química del universo, transportando material y mezclándolo. El ciclo de vida estelar está además íntimamente conectado con el viento, ya que es responsable de cómo tendrá lugar su muerte: suave y lenta o explosiva y rápida. El material que se forja en el interior de una estrella se inyecta y se mezcla con el entorno, se hace complejo químicamente. Las cenizas enriquecidas de una generación se incorporan como los componentes básicos de la siguiente. El viento que sopla de las estrellas es tan importante que de esta interacción depende literalmente no solo la vida de la estrella sino también de todo lo que la acompaña, como los planetas y nuestra existencia.

Eva Villaver es investigadora del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología.

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