Las Nebulosas Planetarias también pueden

Vivimos en un mundo regido por átomos. Utilizamos uranio para obtener energía en las centrales nucleares, o combinamos carbono con oxígeno en las de carbón. Durante siglos hemos medido la riqueza por la cantidad de oro y plata que se poseía; antes de eso, por la de un enlace iónico de cloro y sodio (en otras palabras, sal). Fabricamos objetos duraderos con aleaciones de hierro, carbono, aluminio y cromo. Nos matamos los unos a los otros con plomo acelerado mediante la explosión de una mezcla de carbono, azufre, oxígeno, nitrógeno y potasio. Usamos mercurio para tomarnos la temperatura, tenemos relojes con núcleo de cuarzo y nos comunicamos mediante dispositivos cuyo corazón es de silicio y cobre. Nosotros mismos estamos formados por miles de cuatrillones de átomos de oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, calcio, fósforo, potasio…

Vivimos en un mundo regido por átomos. Utilizamos uranio para obtener energía en las centrales nucleares, o combinamos carbono con oxígeno en las de carbón. Durante siglos hemos medido la riqueza por la cantidad de oro y plata que se poseía; antes de eso, por la de un enlace iónico de cloro y sodio (en otras palabras, sal). Fabricamos objetos duraderos con aleaciones de hierro, carbono, aluminio y cromo. Nos matamos los unos a los otros con plomo acelerado mediante la explosión de una mezcla de carbono, azufre, oxígeno, nitrógeno y potasio. Usamos mercurio para tomarnos la temperatura, tenemos relojes con núcleo de cuarzo y nos comunicamos mediante dispositivos cuyo corazón es de silicio y cobre. Nosotros mismos estamos formados por miles de cuatrillones de átomos de oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, calcio, fósforo, potasio…

Inmersos como estamos en la vida cotidiana, sin embargo, casi nunca nos paramos a pensar de dónde vienen esos elementos. Y es que todos los átomos de todos los elementos químicos que existen en todo el Universo —salvo por el hidrógeno, una pequeñísima fracción del helio y una fracción ridícula de elementos más pesados que resultaron del Big Bang— fueron forjados en el interior de estrellas que ya no existen como tal, y expulsados al espacio interestelar en forma de nubes de gas al morir aquellas. Una vez allí, las nubes se agregaron poco a poco en grumos más y más densos por pura y simple atracción gravitatoria, hasta que el núcleo de cada una de las nubes alcanzó tal temperatura y tal presión que se encendió como un horno. Así nació una nueva estrella, alrededor de la cual el disco residual de gas se condensó y enfrió hasta formar planetas.

Sí, las estrellas son unos bichos de lo más curioso: nacen, crecen, mueren… y se reproducen.

Fusión termonuclear de 4 núcleos de hidrógeno (protones) en uno de helio (2 neutrones y 2 protones). | Fuente: Astro Bob, adaptada de Bob King.

Alquimia estelar

Pero centrémonos en cómo se forman los elementos. Mientras usted lee estas líneas, el Sol hace realidad el sueño de todo alquimista medieval: fabricar unos elementos a partir de otros diferentes. Y como todo alquimista que se precie, el Sol tiene un horno, su zona central, donde tiene lugar el proceso. Nuestra estrella toma cuatro núcleos de hidrógeno —el elemento más ligero de la tabla periódica, formado por un protón con unelectrón a su alrededor—, y los aprieta bien juntos hasta convertirlos en uno de helio—dos protones y dos neutrones orbitados por cuatro electrones—. El excedente de esta reacción son dos positrones, dos neutrinos electrónicos (necesarios para desposeer a dos de los protones de su carga y convertirlos en neutrones), y, lo más importante, energía en forma de radiación electromagnética (luz, para entendernos). El nuevo núcleo de helio, al pesar más, se deposita en el centro, donde se va acumulando paulatinamente. Esto es lo que el Sol lleva haciendo casi cinco mil millones de años, y lo que hará durante los próximos cinco mil.

¿Por qué lo hace? No hay una razón —simplemente ocurre así—, pero, si la hubiera, no sería para alumbrarnos, créame, sino para sobrevivir: necesita la presión de radiación de la luz que se produce en la reacción para empujar las capas exteriores de la estrella y mantenerlas en su sitio; de lo contrario, su descomunal peso haría que la estrella se derrumbase sobre sí misma.

Todas las estrellas tienen este tipo de reacciones nucleares en su interior (el mecanismo de fusión que he descrito es, del puñado que hay, el más sencillo). Fusionan hidrógeno para crear helio, y más tarde fusionan helio para fabricar carbono, nitrógeno, oxígeno, etc. Cuanto más masiva sea la estrella, más pesados serán los elementos que será capaz de sintetizar.

De este modo se libra su particular guerra entre gravedad y presión de radiación. Habrá ocasiones en que una de las dos gane alguna batalla, y la estrella se hinche o se contraiga como si sufriera de alguna enfermedad tiroidea. De todas estas ocasiones, hay una especialmente crítica: si la masa de la estrella es unas cuantas veces la del Sol, llegará a un punto en el que sintetize hierro y lo acumule en su núcleo.

Imagen HST de la Nebulosa del Cangrejo. Los restos de esta supernova, que ocurrió en el año 1054, se difunden por el espacio en todas direcciones, enriqueciéndolo con los elementos procesados por la estrella antes de y al morir. | Es espectacular, sí...

El que a hierro mata…

Si la estrella tiene más de 8 veces la masa de nuestro Sol, se verá con un núcleo de hierro que debería fusionar para obtener la energía necesaria para equilibrar su peso. Pero aquí se encuentra con un gravísimo problema: la fusión del hierro en algo más pesado no produce energía, sino que la requiere (es decir, no es exotérmica, sino endotérmica). Se ve así con una materia prima que no le sirve para nada y la gravedad gana la partida: la estrella se hunde sobre sí misma en cuestión de segundos, tan rápido que las capas exteriores rebotan contra el núcleo y la estrella muere en una gigantesca explosión, como supernova de tipo II (o tipo Ib o Ic, pero no una de tipo Ia como la que tuvo lugar en la galaxia M101 el mes pasado; eso es algo diferente). Las capas exteriores son expulsadas al exterior para formar nuevas estrellas, y colorín colorado…

¿Un momento, y los elementos más pesados que el hierro? Efectivamente, si echamos un vistazo a la tabla periódica, veremos que el hierro, Fe, con número atómico 26 no es, ni mucho menos, el elemento pesado. ¿De dónde salen entonces los casi 100 que nos faltan?

Ruta para formar los diferentes isótopos del Neodimio (Nd) por captura rápida de neutrones (proceso-r). Z es el número atómico (protones) y N el número másico (neutrones+protones). Esta es la manera en que las supernovas producen elementos más pesados que el hierro. | Nótese que por este proceso no se forma el isótopo 142Nd. Fuente:Lounge of the Lab Lemming

El proceso-r: Tormenta de neutrones

La respuesta habitual es que hay otro proceso, llamado de captura de neutrones rápida(proceso-r), capaz de crear cantidades importantes de elementos pesados en los segundos que dura el colapso de la estrella. El mecanismo es el siguiente: el interior de la estrella está tan caliente y sometido a tal presión que muchos de sus átomos son despedazados, literalmente, y se producen cantidades ingentes de neutrones. Muchos de estos neutrones son capturados e incorporados a los núcleos de los átomos ya presentes, convirtiéndolos en diferentes isótopos (las variantes de un elemento dado, donde cambia el número de neutrones en su núcleo) de elementos más pesados.

Si ahora pudiéramos convertir alguno de esos neutrones de más en protones, tendríamos un núcleo estable de un elemento más pesado que el original. Pongamos el hierro, por ejemplo, con sus 26 protones y sus 30 neutrones (56Fe). Si le añadimos 3 neutrones tendremos un isótopo muy pesado del hierro (59Fe), al que bastará cambiar un neutrón por un protón para convertirlo en un núcleo de cobalto de libro de texto (59Co). Eso, la conversión de un protón en un neutrón (o viceversa) —y la producción, como residuo, de partículas como electrones, positrones, neutrinos y antineutrinos—, es justamente lo que hace de manera espontánea la desintegración beta.

En resumen, ponga neutrones a toda mecha, y la estrella recorrerá la tabla periódica en un santiamén.

...pero no me negarán que estás cuatro nebulosas planetarias (imágenes de HST) son al menos igual de espectaculares. Desde arriba a la izquierda y en sentido horario: M2-9 (la Mariposa), nebulosa de la Hélice, MyCn 18 (el reloj de arena), y NGC6543 (el Ojo de Gato).

Las grandes olvidadas

Comúnmente se asume que el proceso-r de captura de neutrones es el único capaz de fabricar elementos más pesados que el hierro, es decir, que todos los elementos pesados que hay en el Universo provienen de las supernovas. Así, al menos, nos lo aprendimos todos en clase de Ciencias. Sin embargo, esto no es así, es una simplificación similar a la que hacían al decirnos que no existían las raíces cuadradas o los logaritmos de números negativos.

Hoy voy a romper una lanza en favor de las nebulosas planetarias, los cadáveres estelares de las estrellas no tan masivas como para morir como supernovas (hasta 8 veces la masa del Sol). Lo cierto es que no mucha gente se fija demasiado en ellas —mis amigos, sin ir más lejos, siempre me piden que les hable de supernovas y agujeros negros—. Y es que, aunque las supernovas sean la chica más popular del instituto, la que vive más rápido y más peligrosamente, las estrellas menos masivas son el patito feo que acaba convirtiéndose en majestuoso cisne, desplegando alas —y misterios— absolutamente espectaculares (si aún no me creen, echen por ejemplo un vistazo a esto).

Las estrellas que acaban sus días como nebulosa planetaria no sólo producen la mayor parte del carbono, nitrógeno y oxígeno del Universo, sino que las más masivas de ellas son capaces de sintetizar elementos más pesados que el hierro. ¿Cómo? Mediante la captura lenta de neutrones o proceso-s.

El proceso-s: Parece que chispea

El proceso-s es mucho mas lento que el proceso-r. Sin embargo es mucho más seguro para las estrellas que lo siguen, pues no requiere dar la vida a cambio.

Libro de recetas para conseguir antimonio (122Sb) a partir de plata (108Ag) por captura lenta de neutrones (proceso-s). Z es el número atómico (protones) y N el número másico (neutrones+protones)

La principal diferencia está en el ritmo de captura de neutrones. Las estrellas que siguen este proceso, cuando se encuentran en una fase llamada rama asintóntica de las gigantes, tienen a su disposición billones de veces menos neutrones por segundo que las supernovas durante su colapso. Esto tiene dos consecuencias: en primer lugar,fabricar elementos pesados lleva miles de años en lugar de segundos, y, en segundo lugar, el ritmo establece un tope en el elemento más pesado hasta el que puede llegar. Este máximo es el bismuto (209Bi), debido a la inestabilidad de los núcleos más pesados que él (que son radioactivos, como el uranio, 238U), que se desintegran en núcleos más ligeros antes de haber tenido tiempo para capturar otro neutrón. (Este ritmo más pausado tiene, sin embargo, sus ventajas: hay algunos isótopos de ciertos elementos a los que se puede llegar por el proceso-s y no mediante el proceso-r, y viceversa.)

¿Y cual es la proporción de elementos pesados fabricados así respecto a los sintetizados en las supernovas? Pues una fracción mucho menor, de ahí que no sea un asunto muy conocido. Claro que, y aquí está el quid de la cuestión, las estrellas poco masivas son legión: suponen hasta el 90% del total de estrellas del Universo. Eso hace que este tipo de estrellas produzca aproximadamente la mitad de los elementos más pesados que el hierro que hay en el Universo, contribuyendo tanto como las populares supernovas al enriquecimiento químico de nuestra Galaxia.

Así que la próxima vez que se tome un café, piense que la materia —tanto del café como de las monedas con que lo paga— bien puede haber sido un regalo post-mortem de una estrella, que, miles de millones de años atrás, acabó sus días con el suave suspiro de una nebulosa planetaria.

(Esta entrada, de un servidor, se publicó en Amazings el 27 de septiembre de 2011)

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Acerca de Miguel Santander

Tras el Horizonte de Sucesos
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6 respuestas a Las Nebulosas Planetarias también pueden

  1. Pingback: Enlaces yuriesféricos del 27/09/2011 | La Yuriesfera

  2. ion dijo:

    Quizás no sea oportuno poner esta pataleta, total como hay moderador, pues que no lo publique y tan amigos 😉
    Pienso que posiblemente los italianos del Ópera, como se dice hayan preparado este tema para evitar que les recorten el presupuesto que tienen para sus investigaciones, hasta aquí de acuerdo. Pero la prepotencia científica de pensar que la teoría de Einstein es inamovible, no ayuda mucho en esa investigación, ¿Qué presupuestos hay para ese fin? Esta prepotencia es muy común en los científicos y es lo que les marca un claro rechazo en la sociedad actual por mucha gente. La postura es comparable con la de la religión y todos sabemos cómo les va. Así que quizás iría mejor, sacar más información al público en general, que podamos comprender fácilmente los neófitos, y meter el pecho, que total si no lo hacen, al final nuevos descubrimientos siempre se lo oprimen, ¿Para qué sufrir con la espera?.
    Esto pensamos muchos Magufos como yo de todo esto:
    Los métodos para poder demostrar que los neutrinos u otro tipo de elemento, viajan a más velocidad que la luz en la ciencia actual, me da la sensación que están al mismo nivel del que usarían los Aborígenes Australianos allá por el siglo XVIII, al intentar capturar las primeras señales de radio, con algún tipo de red auto fabricada.
    La ciencia se basa en su totalidad en conceptos estudiados en las mismas universidades y repetidos como papagayos de unos catedráticos a otros (Con todo el respeto, solo es una figura grafica) y sus “aparatos” de captura y análisis posterior están basados en estas misma leyes, supeditadas a una física de andar por casa, muy posiblemente primitiva y trasnochada dentro de unos cientos de años a lo sumo.
    El poder encontrar algo que pueda ir a más velocidad que la luz, solo se daría en la ciencia actual por un mero accidente o por lo que algunos llaman “Ciencia de Noche” único sistema al que se le puede llamar Ciencia de Investigación de la de verdad, el resto está bien para descubrir otro sistema como el microondas actual, que me caliente el desayuno sin esperar 2 minutos.
    Seguramente para muchos no tenga ni P.I de lo que digo, pero es como yo veo la ciencia actual. Jornadas como la de Amazing 2011, ayudarían a gente como yo a comprender mejor los postulados de los científicos en muchas áreas, que o bien, desconocemos o simplemente no entendemos.
    El pódium en el que muchos se hallan, cuando leo muchas de las respuestas en los blog de ciencia que sigo efusivamente, da lástima, imagino el dolor de cervicales que sufren al bajar la mirada hacia donde nos encontramos muchos.
    Por una ciencia popular, necesitamos más Amazings 2011
    Salud

  3. Gracias por el comentario, ion.

    Lo bueno de la Ciencia es que funciona como un todo, ajena a la prepotencia de la que pueden hacer gala algunos científicos, que como humanos, son susceptibles de los peores defectos y las mejores virtudes. Sin embargo, no es prepotencia llamar a la cautela en el caso de los neutrinos supuestamente superlumínicos.

    Al igual que cualquier otra teoría científica, La Teoría de la Relatividad no es inamovible, desde luego que no. Hay muchos artículos que parten del supuesto de que se viole uno de sus pilares (aquí tienes una lista que alguien recopiló), y no constituyen herejía alguna. De hecho, no es inamovible ni lo fue nunca: hasta el punto de que, cuando se propuso, hace más de cien años, no se miró con muy buenos ojos, y no fue hasta más de una década después, durante un eclipse de Sol en 1919, cuando se comenzaron a comprobar experimentalmente sus predicciones. Sirva eso de ejemplo de que al final son los hechos, y no las personas, quienes terminan refutando o validando las ideas de cómo funciona el mundo.

    El problema, y por lo que se llama a la cautela (que quizá alguien haya podido confundir con prepotencia), es que la Teoría de la Relatividad está tremendamente asentada, no sólo en pruebas experimentales (abrumadoras) o en tecnología que usamos hoy en día (p.ej. GPS), sino que sin ella no se podrían explicar cosas tan “simples” como que el oro sea amarillo y brille o el mercurio sea líquido a temperatura ambiente. En otras palabras, cargarse la relatividad no es tan simple, artículo cuya lectura te recomiendo.

    Los experimentos de los neutrinos tendrán que ser confirmados. Y, de serlo, y ser los neutrinos realmente más rápidos que la luz, no creo que encuentres a un sólo científico que no lo consideraría emocionante por lo menos. En ese caso tendría que revisarse, pero no la Teoría de la Relatividad, cuya eficacia ha sido probada hasta la saciedad, sino los límites (de velocidades, energías y masas) donde ésta es aplicable.

    En otras palabras, no nos confundamos: la Teoría de la Relatividad no tumbó a la Teoría de la Gravitación Universal de Newton, sino que la amplió, englobándola dentro de un marco más general. De confirmarse lo de los neutrinos superlumínicos, lo que habría que revisar quizá sería el marco.

    Saludos.

  4. ion dijo:

    Genial, cada día aprendo más cosas en este foro. La explicación de que solo habría que cambiar EL MARCO en el que se desenvuelve la Teoría de la Relatividad, para un neófito en ciencia, como es mi caso, simplemente genial. Y después de leerme el artículo que recomiendas CARGARSE LA RELATIVIDD NO ES FACIL, más todavía.
    Hay veces en las que con una sola frase, se puede hacer entender, lo que otros intentan explicar en 10 volúmenes.
    Muchísimas gracias por la información
    Salud

  5. De nada, así sí es un placer 🙂

  6. Pingback: La Ciencia de Prometeo: el proceso de Penrose y la Energía definitiva (I) | Tras el horizonte de sucesos

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