El alquimista galáctico

A menudo las preguntas más sencillas esconden las respuestas más complejas, involucrando los aspectos de la ciencia que uno nunca esperaría. Una de estas preguntas es el origen de los elementos químicos, por ejemplo el carbono, nitrógeno, oxígeno, etc. Son elementos tan habituales en nuestra vida cotidiana como necesarios, y sin embargo nunca nos podríamos imaginar que es necesario recurrir a la astrofísica para poder entender su origen.

La teoría del Big Bang predice un pasado caliente hace mas de 13.000 millones de años, en el que todos los puntos del universo estaban arbitrariamente próximos entre sí. La expansión -provocada por el contenido de materia y energía- permitió el enfriamiento de la materia que llamamos ordinaria o bariónica, fundamentalmente protones, neutrones y electrones (en este artículo no consideramos la materia oscura, ya que no juega un papel importante en el origen de los elementos). Cálculos detallados del proceso de expansión y de las interacciones entre estas partículas nos permiten determinar la cantidad de hidrógeno (el elemento químico más sencillo, consitutido por un solo protón, rodeado por un electrón) que fue convertido en helio durante esta fase.

Cada segundo el Sol produce unos 600 millones de toneladas de helio a partir de hidrógeno en su interior, con temperaturas del orden de 10 millones de grados

Las condiciones del 'Big Bang'

Tras el hidrógeno, el helio es el siguiente elemento en complejidad de la tabla periódica, compuesto por dos protones y dos neutrones, rodeado de dos electrones. Aproximadamente la cuarta parte del hidrógeno fue convertido en helio. Esto sucedió unos pocos minutos después de la gran explosión. Sin embargo, los cálculos muestran que las condiciones del Big Bang no fueron adecuadas para la síntesis de ningún otro elemento más complejo. Altas temperaturas y densidades son necesarias para transformar el helio en elementos más complejos, tales como carbono, oxígeno o hierro. Las energías que produce cualquier proceso químico (tal como una explosión de dinamita) no son suficientemente altas para la síntesis de los elementos de la tabla periódica.

Las estrellas son los verdaderos alquimistas galácticos, convirtiendo elementos ligeros en otros más pesados en su interior. Cada segundo el Sol produce unos 600 millones de toneladas de helio a partir de hidrógeno en su interior, con temperaturas del orden de 10 millones de grados, generando una energía equivalente a 95.000 millones de megatones de TNT por segundo.

En una fase posterior -cuando el hidrógeno del interior se haya agotado- el Sol aumentará su temperatura central a 100 millones de grados y permitirá la síntesis de carbono a partir de helio. En estrellas más masivas que el Sol, las temperaturas y densidades son aún mayores, posibilitando la formación de oxígeno, neón, o silicio. En la fase final de la vida de una estrella con más de 10 veces la masa del Sol, el núcleo acaba sintetizando hierro, elemento muy estable. El proceso no puede seguir para generar elementos más pesados, produciéndose el colapso del núcleo de la estrella. Las capas exteriores se desploman hacia el centro y chocan con este núcleo denso e incompresible, literalmente rebotando hacia fuera, generando una onda de choque que expulsa la mayor parte de los elementos sintetizados por la estrella.

Brillar como toda la galaxia

Esta explosión -una supernova- es tan energética que a pesar de ser causada por una sola estrella, llega a brillar como toda la galaxia. Durante la explosión se generan elementos más pesados que el hierro por la irradiación intensa de neutrones. La moraleja de todo este mecanismo está en que todos los átomos que el lector contiene en su cuerpo se formaron en el pasado en el interior de alguna estrella: somos verdaderamente hijos de las estrellas. En este año internacional de la astronomía, que también celebra el 200 aniversario del nacimiento del naturalista Charles Darwin, uno puede pensar que no sólo somos fruto de la evolución y selección natural de la bioquímica en la Tierra. También somos fruto de la "evolución" de los elementos químicos a partir de la síntesis termonuclear en el interior de las estrellas.

Los astrofísicos empleamos el proceso de síntesis termonuclear en las estrellas para indagar sobre la formación de las galaxias. Actualmente, uno de los grandes misterios de la física es el mecanismo de colapso de gas para formar estrellas en las galaxias. Aún no entendemos cómo se pudieron generar las galaxias más masivas. Estas galaxias están dominadas por poblaciones estelares muy viejas que reflejan una etapa de formación muy rápida y temprana. Sigue siendo un misterio cómo estos sistemas pueden haber mantenido una tasa de formación estelar mil veces más alta que el ritmo actual en nuestra galaxia, la Vía Láctea. A partir del estudio de la composición de las estrellas podemos determinar la cantidad de elementos como el carbono, oxígeno, magnesio o hierro presentes en las galaxias. Estas abundancias de elementos revelan, cual fósil, el pasado de la formación de las galaxias. No en vano, este área reciente de investigación en astrofísica es denominada arqueología galáctica.

Ignacio Ferreras es profesor en el Mullard Space Science Laboratory del University College London