El oro: una historia de violencia cósmica

No todos los elementos químicos de la tabla periódica tienen la misma relevancia para nosotros humanos. Entre ese conjunto ordenado existe un puñado que son fundamentales para la vida, otros tantos son necesarios para mantener nuestra salud y otro pequeño grupo de ellos sustenta nuestro sistema económico y tecnológico. Sin duda, entre los que han levantado más pasiones y causado más destrucción en la historia reciente de la humanidad se encuentra el oro. Su búsqueda alentada por la codicia de coronas y conquistadores ha provocado genocidios, movimientos migratorios masivos y su extracción es responsable de uno de los mayores desastres ambientales de la historia. Pero también hay que reconocer que la perseverancia de los alquimistas, que durante siglos buscaron la transmutación de otros elementos en oro, ayudó a sentar los estándares de muchos de los métodos utilizados hoy en día en ciencia.

Pero esas historias pertenecen a la Tierra. En el universo, el oro también es especial ya que se encuentra entre esos elementos químicos que se producen en eventos únicos. El oro, el platino, y más de la mitad de los elementos que constituyen la tabla periódica no se forjan en el núcleo de las estrellas sino en sus envolturas o aledaños a partir de procesos especiales llamados de captura neutrónica. En su formación interviene además la desintegración beta que es responsable del cambio literal de un tipo de partícula subatómica a otro.

Vayamos por partes. En la tabla periódica, los elementos se encuentran ordenados de acuerdo a su número atómico que es el número total de protones, las partículas con carga positiva, que contiene el núcleo de cada átomo. Este número constituye su huella de identidad básica, lo que le define. Para el carbono este número es 6, si lo aumentamos en tan solo una unidad tendremos nitrógeno y si lo aumentamos en dos unidades el elemento resultante es oxígeno. El hidrógeno, que es el átomo más sencillo, tiene un número atómico de 1. En astrofísica, la historia de los elementos comienza en el Big Bang donde se forma todo el hidrógeno del universo (un protón). También tienen su origen en este evento cósmico gran parte del helio (dos protones) y algo del litio (tres protones). Para formar el resto de los elementos químicos necesitamos estrellas y vientos.

Es en el núcleo estelar donde se produce fusión nuclear, primero en un plasma de hidrógeno, es decir, protones de alta densidad a millones de grados. Ahí es donde pueden superar la repulsión electrostática que sabemos que ejercen dos partículas con la misma carga. Así, en el núcleo del Sol se están transformando cada segundo 600 millones de toneladas de hidrógeno en helio y lo vienen haciendo, más o menos a ese ritmo, durante 4.500 millones de años aproximadamente. Este proceso libera energía que impide que la estrella colapse y provoca que si la estrella tiene suficiente masa se vayan forjando elementos cada vez más pesados, esto es con mayor número atómico, primero helio y después carbono, nitrógeno, oxígeno, etc...

Sabemos que si la estrella es lo suficientemente grande para poder quemar hierro (nucleosintéticamente hablando) la reacción deja de producir energía y es precisamente este evento el que conduce a la explosión de la estrella como supernova. Las reacciones de fusión en las estrellas son exotérmicas (liberan energía) hasta que se forma el hierro. Más allá en la tabla periódica, no liberan energía por fusión sino que la absorben. La barrera de Coulomb por la que dos partículas con la misma carga se repelen es imposible de romper para elementos con un número suficientemente alto de protones. El hierro tiene número atómico 26, no está situado ni en la mitad de la tabla periódica y la mayor parte de los elementos pesan más que el hierro, tienen números atómicos más grandes. Entonces, ¿de dónde vienen los elementos químicos más pesados?

Los elementos más pesados que el hierro no se producen en las entrañas de las estrellas (en su núcleo) por fusión nuclear, sino que se forman por la conocida como captura neutrónica (que puede ser lenta o rápida), un tipo de proceso que da origen a la mayor parte de los elementos conocidos. Para que la captura neutrónica tenga lugar son necesarias densidades de neutrones muy elevadas (un neutrón es como un protón pero sin carga eléctrica) y un núcleo semilla que capture neutrones. Esta captura hace que el núcleo sea más pesado y radiactivo (lo que es parecido a llamarlo inestable) decae en una especie estable situada en otra posición de la tabla periódica.

Sabemos que la captura lenta de neutrones tiene lugar en las envolturas de las estrellas de baja masa (aquellas de hasta 8 veces la masa del Sol), pero nuestros cálculos nos dicen que este proceso solo da lugar a la formación de la mitad de los elementos más pesados que el hierro que vemos en la tabla periódica. El resto, la otra mitad, han de venir del otro proceso, el rápido. Lento o rápido es relativo, como tiempos que son. Después de que un núcleo atómico haya capturado un neutrón para convertirse en un isótopo más pesado, la escala de tiempo para que capture otro es o bien lenta o rápida respecto al proceso con el que está compitiendo, la desintegración beta. La desintegración beta transforma un neutrón en un protón y por tanto aumenta el número atómico del elemento sin modificar su masa atómica: hemos transformado el elemento, el sueño de los alquimistas. “Los procesos de captura lenta se pueden estudiar en el laboratorio, los de captura rápida, debido a la velocidad del proceso no, de ahí las incertidumbres con las que trabajamos”. Pongámonos en situación, el proceso rápido requiere densidades de neutrones libres para el bombardeo mucho más altas que en su homólogo lento, en este caso necesitamos bombardear con más de 100 trillones (100 billones de billones o lo que es más fácil de escribir densidades de al menos 10²⁰) de neutrones por centímetro cúbico y esto es difícil de producir en condiciones normales. Necesitamos eventos especiales: explosiones, fusión de estrellas de neutrones o las capturas de estrellas de neutrones por agujeros negros.

Se han identificado hasta la fecha tres entornos con suficiente densidad de neutrones como para que se puedan producir los fenómenos de captura necesarios para que crezcan las concentraciones universales de elementos químicos más allá del hierro en la tabla periódica. Si nos centramos en la captura rápida, que es la que requiere condiciones más extremas, tenemos el evento explosivo de la supernova misma o la fusión de estrellas de neutrones. La tercera vía involucra la colisión de una estrella de neutrones con un agujero negro. A medida que la estrella de neutrones es destrozada por el campo gravitatorio del agujero negro, ingentes cantidades de material rico en neutrones puede ser expulsado produciendo un entorno rico en oro, platino y en general elementos de captura neutrónica rápida. Es difícil, por no decir imposible, que la fiebre del oro humana alcance tan remotos e inhóspitos lugares. Pero quién sabe lo que nos deparará el futuro, dada la interminable lista de estupideces que hemos cometido históricamente por ese vil metal.

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 un 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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