La cuchara menguante. 4) De dónde vienen los átomos: “Somos polvo de estrellas”

Empiezo la PARTE II  con el capítulo cuatro que se titula, nada más y nada menos que: De donde vienen los átomos. “Somos polvo de estrellas”  Frase de Carl Sagan de fuerte significado, y que guardamos como un tesoro todos los que nos gusta la ciencia. En él, Kean nos hilvana historias  que nos hablan del Fe - Hierro, Ne - Neón, Pb - Plomo, Ir  - Iridio y Re - Renio

El Fe hierro y los metales estelares

El autor empieza con un pequeño repaso de cómo ha evolucionado nuestro pensamiento y creencias sobre de dónde vienen los átomos, que en realidad es como preguntarse de dónde viene todo. El sentido común, que durante siglos era lo que teníamos, nos encaminó a pensar que de ningún sitio, que eran innatos al propio universo. Luego ya en 1930 con la teoría el Big Bang, se propuso que todos ellos tenían que haber surgido a la vez en ese único instante. Pero al ir mejorando las técnicas de observación se vio que el sol, y otras estrellas, liberaban demasiada energía en comparación a los pequeñísimos átomos de hidrógeno fusionándose y generando helio. Además, si todos los elementos habían surgido en un mismo instante tendrían que estar repartidos uniformemente en todas las direcciones y no lo están.

En 1957 los astrónomos G. Burbidge, M. Burbidge, W.Fowler y F.Hoyle (B2FH) publicaron un artículo que sugiere que en un principio el universo era una masa de hidrógeno con una pizca helio y litio, y con el tiempo el hidrógeno se fue agrupando hasta formar las estrellas, siendo los primeros en mostrarnos que las estrellas eran nuestros verdaderos “dioses” creadores.

Pero ¿qué ocurre luego?. Cuando la presión gravitatoria en el interior comienza a fusionar el hidrógeno formando helio hasta agotar el hidrógeno, desesperadas, las estrellas,  queman el helio y no tardan en acumular en su interior elementos como el litio, boro, berilio y especialmente el carbono. Quemar helio libera menos energía que quemar hidrógeno y se agotan en unos pocos cientos de miles de años;. entonces algunas estrellas pequeñas mueren creando masas de carbono fundido llamadas enanas blancas. Otras de mayor masa  (ocho o más veces els sol) siguen luchando apretando sus átomos de carbono creando seis elementos más hasta el magnesio, terminando algunas aquí su recorrido; pero otras , las más calientes , queman también esos elementos en su interior a los largo de unos pocos millones de años más. El artículo de B2FH, le sigue las pista a todas estas reacciones de fusión de los elementos hasta llegar al hierro. Gracias a ello, los astrónomos actuales pueden reunir  a todos los elementos entre el litio y el hierro en el grupo de los metales estelares y cuando encuentran hierro en una estrella ya no se molestan en buscar nada más pequeño, saben que esta.

¿Y luego? El sentido común nos dice que podrían seguir fusionándose los átomos de hierro hasta completar toda la tabla periódica con los elementos más pesados.  Pero no, una vez más el sentido común falla, ya que cuando se calcula, es tal  la energía que se necesita para fusionar los veintiséis protones de hierro que no beneficia en nada a una estrella, por muy masiva que sea.

¿Entonces de dónde vienen los elementos más pesados, del veintisiete al noventa y dos, del cobalto al uranio? Las estrellas más masivas (doce veces el tamaño del  sol), se consumen hasta quedar en un núcleo de hierro muy rápidamente. Al quedarse de repente sin energía para poder mantener su gran volumen, su propia gravedad hace que se comprima (implosione)  tanto, que en su núcleo los protones y los electrones se comprimen en neutrones hasta que apenas quedan solo neutrones (pregunta: ¿es eso una estrella de neutrones?)  Pero entonces ese colapso produce una reacción que la hace explotar convirtiéndose en una supernova. Durante un mes aproximadamente la supernova se extiende a lo largo de millones de kilómetros y brilla con más intensidad que mil millones de estrellas juntas; todas las partículas colisionan con tal fuerza y tantas veces por segundo, que se saltan las barreras normales de energía fusionándose al hierro creando así nuevos elementos. Todas las combinaciones naturales de los elementos e isótopos salen expulsadas de esta tempestad de partículas.

En nuestra galaxia han explosionado cientos de millones supernovas, y una de ellas fue la responsable de nuestro sistema solar hace 4.600 millones de años al atravesar una nube plana de polvo espacial de restos de, al menos, dos estrellas. Las partículas se entremezclaron creando en el centro, más denso, a nuestro sol; los cuerpos planetarios comenzaron a agregarse y a juntarse; formando a los gigantes gaseosos, como Júpiter, cuando una corriente catapultada por el sol, expulsó los elementos más ligeros hacia los márgenes.

Júpiter el planeta que quiso ser estrella y la lluvia de Ne Neón.

En nuestro imaginario han estado siempre presentes los planetas creando todo tipo de leyendas. Algunas totalmente infundadas como la de los marcianos y otras con cierta justificación. Júpiter ha sido uno de los más prolíficos en este sentido. En 1994 el cometa Shoemaker-Levy 9, nos dió a los terrícolas, un fantástico espectáculo al chocar contra el gigante gaseoso, excitando a científicos con sus veintiún fragmentos que saltaron, al chocar, a más de 3000 km de altura. Pero también estimuló la imaginación del público en general. Pocos años después cuando la gravedad de Júpiter desvió hacia la tierra el cometa Hale-Bopp, treinta y nueve miembros de la secta Nike de San Diego se suicidaron en la creencia de que había sido un medio divino que lo había desviado para recogerlos y trasladarlos  un plano espiritual superior.

Pero el pensar que puede llevar en su interior una gran piedra preciosa, tal vez,  no es tan descabellado. Algunos científicos creen que su errático campo magnético sólo puede deberse a por la presencia de océanos de un negro y líquido hidrógeno metálico. Realmente, los elementos llevan vidas extrañas en Júpiter, y la razón es que quiso ser estrella y se quedó a medio camino (si lo hubiera conseguido nuestro sistema solar habría sido binario, con dos estrellas). Se enfrió por debajo del umbral de fusión, pero conservó bastante calor, masa y presión para apretujar los átomos hasta el punto que dejan de comportarse  como lo hacen aquí en la tierra.

Le meteorología de la superficie y del interior de Júpiter también juega con los elementos de manera espectacular.

Como ya sabemos, Júpiter,se formó  cuando una corriente catapultada por el sol, expulsó los elementos más ligeros hacia los márgenes por lo que debería tener la misma composición elemental básica que las estrellas: 90% de hidrógeno, 10% de Helio y algunas cantidades de otros elementos como el Neón.

En una estrella real, las miniexplosiones nucleares compensan la gravedad, pero en Júpiter, nada impide que el helio y el neón más pesados “caigan” de las capas exteriores a la capa de hidrógeno metálico líquido. El helio y el neón cuando se queman producen colores brillantes en tubos de cristal (las luces de neón). Pues ahora imaginémonos situados en las orillas del mar de hidrógeno metálico liquido, la fricción que produciría la caída del neón desde el cielo de Júpiter nos permitirá admirar un cielo cremoso y anaranjado y ver un extraordinario espectáculo de luces, como fuegos artificiales; los científicos lo llaman lluvia de neón.

Los cuatro planetas rocosos, Mercurio, Venus, Tierra y Marte.

Los gigantes gaseosos se formaron en un millón de años, mientras los elementos pesados daban vueltas en un cinturón celeste permaneciendo así durante varios millones de años más,  hasta que se formaron la Tierra y sus vecinos como bolas fundidas. Los elementos pesados se fueron arrimando a sus parientes químicos formándose depósitos considerables de cada elemento. El hierro, el más denso, se hundió hasta el núcleo y allí permanece todavía hoy. Si la Tierra no se hubiera enfriado y solidificado lo suficiente como para dejar de mezclar los elementos, sería ahora un enorme témpano de uranio y magnesio.

Cada sistema solar posee su señal química ya que, la mayoría, al formarse a partir de supernovas, dependió de la energía que tuviera cada una  para fusionar unos u otros elementos, y de la mezcla con lo que hubiera alrededor (polvo estelar). Así que es muy difícil que dos sistemas acaben teniendo las mismas cantidades de elementos radiactivos y no radiactivos si no es porque han nacido juntas.

Con todo este galimatías de elementos en los sistemas solares, ¿como saben los científicos cuando se formó la Tierra?

El Pb Plomo, el uranio y como sabemos cuando se formó la Tierra

En la década de 1950 se sabía, que los elementos más pesados son radiactivos y casi todos acaban desintegrándose en plomo, que es estable. Un estudiante de doctorado de Chicago, llamado Clair Patterson, y gracias al proyecto Manhattan donde se formó, conocía la tasa precisa de desintegración del uranio. También sabía que, aquí en la Tierra, hay tres isótopos de plomo con número atómico 204, 206, y 207 y que debía haber habido algo de ellos siempre, desde el dia que nacimos de una supernova. Pero otra parte tenía que ser de la desintegración del uranio. El uranio produce más isótopos 206 y 207,  y pensó tenía que haber un aumento predecible de la relación entre  estos y el 204. Pero averiguarlo no fue fácil ya que se topó con dos problemas. El primero que no había nadie en el momento de la creación de nuestra Tierra para que nos diera las relaciones primigenias entre los tres isótopos de plomo y la otra la contaminación industrial.

Encontró la solución a  la primera, ya que  parte del polvo estelar que rodeaba la tierra primigenia fue absorbida por esta, pero el resto formó meteoritos, asteroides y cometas por lo que son como trozos de Tierra primordiales que se han conservado. Además, como ya sabemos, el hierro se sitúa en la cúspide de los metales estelares,por lo que los meteoritos son hierro sólido. El hierro y el uranio no se mezclan , pero el hierro y el plomo si, de manera que los meteoritos contienen plomo con las mismas abundancias relativas originales que tuvo la Tierra, ya que en ellos no había uranio que pudiera aportar plomo  al desintegrarse.

El otro problema era que los trozos de meteorito que se agenció de Cañón Diablo en Arizona estaban contaminados por la industrialización. De todos es sabido que el plomo se ha usado desde tiempos inmemoriales, en pinturas, en los tubos de fontanería  (Pb viene de plumbum, en inglés fontanero) , más tarde la gasolina...etc. Así que Patterson tuvo que convertirse en muy escrupuloso y obsesivo descontaminando su laboratorio; lo que le  permitió obtener la mejor estimación que tenemos de la edad de la Tierra, 4.550 millones de años. Además, tenemos que agradecerle a su obsesión por la limpieza que se convirtiera en un activista contra la contaminación por plomo. Gracias a él hoy no tenemos pinturas con plomo en los juegues de los niños o la gasolina no nos vaporiza plomo en nuestros cabello.

El Ir Iridio y los dinosaurios

En 1977 los físicos Luis y Walter Álvarez estaban estudiando , en Italia, depósitos calcáreos de la época de la extinción los dinosaurios, unos 65 millones de años. Entre las capas calizas uniformes estaba mezclada una fina capa de arcilla roja que contenía iridio. Al  iridio le gusta el hierro (es siderófilo) por lo que casi todo se encuentra en el núcleo de hierro fundido de la Tierra, como también en meteoritos. asteroides y cometas.

Los Álvarez, padre e hijo, pensaron que si la Luna había sufrido bombardeos, como lo demuestran los cráteres de su superficie, por qué no los habría de sufrir la Tierra; si algo enorme hubiera impactado contra la tierra hace 65 millones de años, habría expulsado a la atmósfera y a toda la Tierra una nube de polvo lleno de iridio. Esa capa de polvo podría haber ocultado el sol y asfixiado a las plantas lo que podría haber ocasionado la extinción el 75 por ciento de todas las especies y que murieran el 99 por ciento de los seres vivos. Los geólogos, pronto comprobaron que la capa de iridio se extendía alrededor del mundo, y poco después descubrieron un cráter de más de ciento sesenta kilómetros de diámetro, 20 kilómetros de profundidad y sesenta y cinco millones de años de antigüedad en la península del Yucatán, todo ello pareció demostrar la teoría del asteroide, el iridio y la extinción. Pero de acuerdo con registro fósil los dinosaurios se extinguieron a lo largo de varios cientos de miles de años, no de golpe. Hoy se cree que también influyeron las erupciones de la India de varios volcanes.

Pero no es la única extinción que ha sufrido la Tierra, y algunos paleontólogos comenzaron a ver clara una pauta: cada veintiséis millones de años se había producido una extinción similar.

El Re Renio - las extinciones y Némesis

Se descubrieron otras finas capas de iridio que parecían coincidir con sendas extinciones en masa. A Luis álvarez, por lo visto un hombre temperamental, no le agradaba la idea de “pauta”  de extinción; como buen científico se decía que mientras no se supiera lo que  provocaba tal pauta, las extinciones podrían haber sido hechos fortuitos.

Un día discutió acaloradamente sobre el tema con uno de sus colaboradores, Richard Muller, y este, en un subidon a drenalina, improvisó una explicación:  tal vez el sol tenía una compañera de viaje, una estrella alrededor de la cual la Tierra describía un círculo con tal lentitud que ni lo notábamos, y cuya gravedad enviaba asteroides contra la Tierra cuando se acercaba. Más tarde Muller llamo Némesis a esa supuesta compañera del sol. (diosa griega de la venganza)

Pero para Álvarez fue toda una revelación cuando comprendió que los asteroides periódicos eran una posibilidad que resolvía las pautas y un detalle sobre el renio hallado junto al iridio en las capas de arcilla. Como se recordará, todos los sistemas solares tienen una señal característica, una relación única entre isótopo, pues bién el coeficiente de los dos tipos de renio encontrados, un radiactivo y el otro estable, eran los mismos que los  encontrados en la Tierra por lo que el asteroide que impactó hace 65 millones de años tenía que haberse originado en nuestro sistema solar.

Nunca se ha hallado a Némesis, claro está, pero ante los tres hechos comprobados (la aparente regularidad de las extinciones; el iridio, que implica impactos; y el renio, que implica proyectiles originados en nuestro sistema solar) los científicos creyeron que le estaban siguiendo la pista a algo importante, aunque Némesis no fuese el mecanismo. Así que se pusieron a buscar otros ciclos que pudieran provocar los cataclismos, y enseguida encontraron un candidato en el movimiento del sol. Nuestra estrella es arrastrada por las mareas de nuestra galaxia espiral, y sube y baja como en tiovivo mientras se mueve. Algunos creen que este balanceo lo acerca lo bastante para ejercer atracción sobre una enorme nube de cometas y otros objetos de la nube de Oort que se originaron en la misma supernova que dio origen a nuestro sistema solar y que cada vez que el sol asciende hasta el pico o desciende hasta el valle, cada veintiséis millones de años, podría atraer cuerpos y enviarlos contra la Tierra. ¡Habrá que aprender a ponerse a cubierto!

Preguntas:

-Esto ha encendido mi imaginación: “El más gaseoso es Júpiter, que por varias razones es una fantástica residencia para los elementos, que allí viven de formas nunca imaginadas en la Tierra” ¿Que formas?, me cuesta imaginarlas.

-Si Júpiter hubiera llegado a ser la compañera de nuestro sol, ¿las características de la tierra hubieran sido la mismas?

-Siempre me sorprende esa estructura de pensamiento que puede hacer que te suicides en masa por culpa de creencias basadas en pura fantasía. Se que es complicado contestar pero aquí lo dejo por si alguien se atreve ;)

-Me ha sorprendido que Fred Hoyle, astrónomo del B2FH, no creía en la evolución ni en el Big Bang. ¿Se puede ser científico y creyente a la vez?

-A medida que voy aprendiendo lo que se sabe de momento de cómo funciona el universo, más efímera veo nuestra existencia. ¿Vosotros no? ¿Llegaremos a tiempo de ponernos a cubierto?

-¿Una estrella de neutrones es el estado anterior a una supernova?

NOTA IMPORTANTE: No es necesario responder todas las preguntas… se que me he pasado... XD XD