Cómo se forjan los elementos
Posiblemente hayas escuchado alguna vez la expresión somos polvo de estrellas. Pocas veces una frase tan poética resulta tan cierta y literal: somos, exactamente, eso.
Una gran proporción de los átomos que te componen se han creado en una estrella. Tus huesos, tu sangre, tus músculos, tu piel, incluso los neurotransmisores que hay en tu cerebro y que se encargan de que te sientas feliz, triste, e incluso, enamorado, empezaron sus días en el núcleo de una estrella.
Buena parte de ti ha estado dentro de una. Ha formado parte de ella. E incluso puede que en más de una. Pero también mis átomos, los de mi futuro sobrino al que aún no conozco, y los de un señor de Sri Lanka al que nunca conoceré. Y lo mejor, es que con seguridad venimos de las mismas estrellas, ya que la zona en la que existimos a su vez lo hace gracias a nubes de polvo interestelares que en su día colapsaron, y, por principio de localidad, fueron originalmente generadas por la muerte de las mismas estrellas.
Somos, en esencia, hermanos de estrellas. Fuimos comenzados a ser construidos en las mismas estrellas. Increíble, ¿verdad? Muchas religiones venden su fe con mucho menos...
Pero empecemos por el principio: ¿qué es eso de que parte de mí ha estado en una estrella? ¿es una alegoría, o una afirmación literal? ¿qué pasa con la otra parte? A mí todo esto me suena a una magufada antológica… Pues no.
Los átomos son, como “sabemos” (ejem, ejem, de nuevo esto es sólo un modelo, otro día hablaremos de esto), unas cositas que se componen de un núcleo, compuesto por protones y neutrones, y de unos orbitales que recorren electrones.
Sus principios son muy básicos: los protones tienen carga positiva, los electrones tienen carga negativa, y los neutrones son, como un nombre indica, neutros eléctricamente hablando. Y para que sean estables, los átomos deben tener una carga neta de 0, es decir, la carga positiva aportada por los protones debe cancelarse exactamente por la carga negativa aportada por los electrones, lo cual no es muy difícil, ya que protones y electrones tienen exactamente la misma carga, pero opuesta. En la práctica: deben tener el mismo número de protones que de electrones. De lo contrario son inestables y tienden a emitir o absorber energía para compensar ese desequilibrio.
Estos átomos cargados eléctricamente se denominan iones, y tienden a emitir energía, que no es otra cosa que, en esencia, lanzar aquellas partículas que les sobran, de forma que se alcance el punto de equilibrio eléctrico. No es buena idea estar cerca, esto en el fondo es lo que denominamos radiactividad, y todos sabemos que los seres vivos no la manejamos muy bien.
Pero quedémonos con lo básico, no necesitaremos más: son pequeñas cositas que deben tener el mismo número de protones que de electrones. Y ya.
Y seguro que ya no recordamos la tabla periódica, y eso, si es que alguna vez la llegamos a aprender. Este servidor, humildemente confiesa, que nunca lo hizo. Siempre copié.
Pero es suficiente, basta con saber que la tabla periódica es el lugar en el que escribimos de una forma ordenada los elementos que conocemos. ¿Y cómo los ordenamos? Muy fácil, por el número de protones que tienen, algo que hemos dado en llamar número atómico.
Pero, preguntaréis: ¿no había más números en cada casilla? Esto no era tan sencillo… Efectivamente, los había. No necesitamos mucho más para el viaje estelar que estamos emprendiendo, pero, por su simplicidad, haremos mención al número másico, que no es, ni más ni menos, el número de partículas que el átomo tiene en su núcleo. Si recordamos, en el núcleo podía haber tanto protones, como neutrones, por lo que el número másico no es otra cosa que la suma de protones y neutrones.
Es un número importante, ya que los protones y neutrones pesan, es decir, tienen masa. En comparación, el electrón prácticamente no aporta masa al átomo, su aporte casi se reduce a la carga. Es por esto que lo que pesa un átomo, viene casi exclusivamente determinado por su número másico, esto es, la suma de protones y neutrones que hay en su núcleo.
Esto tiene una consecuencia directa muy interesante: si un elemento queda determinado por el número de protones que hay en su núcleo, por ejemplo 1 protón para el hidrógeno como vemos en la tabla periódica; y dado que los neutrones no aportan carga y por tanto no inestabilizan el átomo, ¿puede un mismo tipo de átomo pesar diferente, puesto que aun manteniendo el mismo número de protones, tenga más o menos número de neutrones? ¿O se trataría de elementos diferentes?
Siempre que el número de protones no cambie, estamos hablando del mismo elemento. Por tanto, siempre que hablemos de un protón en el núcleo, estaremos hablando del hidrógeno, y este mantendrá en esencia su comportamiento químico, aunque tenga más o menos neutrones.
Así pues, un núcleo de hidrógeno con sólo un protón, otro con un protón y un neutrón, y otro con un protón y dos neutrones, seguirán siendo hidrógeno, y sabremos, dado el principio de neutralidad de carga, que deberá tener un único electrón, ya que de lo contrario, sería un ión (estaría cargado eléctricamente).
¿Y llamamos lo mismo a cosas diferentes, compuestas por partículas diferentes, y que pesan diferente? Pues vaya lío, ¿no?. No. En los tres casos hablamos de hidrógeno, pero de isótopos diferentes. Por tanto, un isótopo de un elemento son variaciones en la composición nuclear de dicho elemento, siempre que no cambie su número de protones. Y esto es clave en el tema que nos trae.
Estos isótopos se identifican con el nombre del elemento (que ya implica un número de protones y electrones fijo), añadiéndole un número, ya sea con guion o con un superíndice, que indica su número másico o suma de protones y neutrones en su núcleo.
Así pues, H-1 será hidrógeno con número másico igual a 1, lo que necesariamente nos lleva a concluir que tiene obligatoriamente que estar formado por un único protón, cero neutrones, y un único electrón.
El H-2 será hidrógeno con número másico igual a 2, lo que nos lleva indefectiblemente a un átomo con un protón, un neutrón, y un electrón. Es inmediato concluir que el H-3 tiene obligatoriamente que estar compuesto por un protón, dos neutrones, y un electrón.
Algunos isótopos, por su abundancia o importancia, tienen nombres propios. Por ejemplo, el H-1, que es con diferencia el átomo más abundante en el universo, se llama protio. El isótopo H-2 se denomina deuterio, y el H-3, tritio. Todos ellos, son distintas formas de hidrógeno.
Todos estamos compuestos por átomos. Hasta hoy en día, en pleno auge del negacionismo, pocas personas con un mínimo de integridad personal que mantener, estarían dispuestas a negar esto. Pero, ¿cómo se crean los átomos?
Como hemos adelantado al principio, buena parte de los átomos que nos componen, han sido forjados en los hornos estelares, pero empecemos por el principio. Por aquellos que no lo fueron.
Hemos visto que el elemento más abundante en el Universo es el hidrógeno, concretamente en su forma H-1 o protio, que no es otra cosa que un protón y un electrón. Algo básico. ¿Y por qué es tan abundante? Pues por eso mismo, por ser básico.
Cuando, tras el Big Bang, se dieron las condiciones como para que todo el universo estuviese lleno de protones y electrones a la deriva, paso algo muy sencillo: los protones y los electrones se atrajeron. No vamos a entrar en el proceso para no complicar la secuencia de razonamiento, pero el caso es el siguiente: ¿cuál es la forma más sencilla de conseguir átomos estables que puede existir? Pues unir un protón con un electrón. Chimpún.
Y con esto, y las 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza (fuerza nuclear débil, fuerza nuclear fuerte, electromagnetismo, y gravedad), el Universo estableció las reglas para todo lo existe, ha existido, y existirá. Sólo con eso.
Las galaxias, las estrellas, los solomillos de ternera regados por un buen roble, la belleza que sientes al escuchar tu canción favorita, el amor por los hijos, Operación Triunfo, tú, yo, los fotones que te permiten leer este texto…Todo. Absolutamente todo nace como consecuencia de una sopa de átomos y 4 sencillas reglas.
Absurdamente simple. Absolutamente bello. Ingeniosamente gracioso. Y es que al Universo le gustan estas bromas: ponernos en los mayores aprietos para encontrar con mucho esfuerzo la respuesta a sencillas preguntas, cuya respuesta es en esencia aún más sencilla, pero nos toma miles de años darnos cuenta. Así nos mantiene entretenidos, mientras pensamos saberlo todo1.
Pero al lío. Dado que parte de nuestra composición es agua, y, como sabemos, el agua se compone de oxígeno e hidrógeno, hay parte de nosotros que no se forjó en las estrellas, sino que proviene de los inicios del mismo Universo.
Por tanto, ya tenemos una primera respuesta: nuestro hidrógeno es aún más antiguo, y proviene en su mayoría del principio de los tiempos.
Bien, entonces, ¿qué pasa con el resto de elementos que me forman? ¿De dónde sale mi hierro? ¿Y mi zinc? ¿Y mi carbono? Aquí sí: de las estrellas. Veamos cómo.
Cuando en el Universo sólo había hidrógeno, este, fruto de la gravedad, fue agrupándose, de forma que aquellas regiones algo más densas, apenas grumos, comenzaron, con el tiempo, a atraer más hidrógeno y a cada vez más ritmo, consecuencia de su cada vez mayor masa.
Como sabemos, cuando las cosas se juntan mucho, en este caso gracias a la gravedad, surge la presión, que no es otra cosa que el empuje hacia adentro que unas partículas sufren como consecuencia del peso de las que tienen encima. Y también todos sabemos que cuando las cosas se “aprietan”, se calientan como consecuencia de la presión que sufren.
No vamos a entrar en detallar el porqué de estos procesos, pero el caso es que cuanto más apretamos algo, todos sabemos que más se calienta, pero más cuesta seguir apretándolo. Es decir, nos encontramos con una fuerza en contra que actúa como resistencia. En esencia, esto no es otra cosa que los electrones que rodean a cada átomo, repeliéndose, ya que las fuerzas del mismo signo actúan de esta forma (negativo contra negativo, recordemos).
Si no hubiese más hidrógeno, aquí acabaría la película: habríamos generado una especie de piedra de hidrógeno. Fin.
Pero como hidrógeno hay para aburrir, nuestra todavía piedra sigue atrayendo más y más hidrógeno, el cual se acumula cada vez más y más, va pesando más y más, y ejerciendo como consecuencia más y más presión. Hasta que la presión es superior a la fuerza de repulsión electromagnética de los electrones, por lo que estos se derrumban, permitiendo que los núcleos de sus átomos se junten. ¿Y qué pasa si junto en un mismo núcleo atómico 2 núcleos atómicos de un protón cada uno? Que tengo un núcleo atómico con 2 protones. Si reviso mi tabla periódica, puedo comprobar que a eso lo llamamos helio. Hemos generado un nuevo elemento, usando otro y una fuerza fundamental: la gravedad.
Siguiendo esta secuencia, resulta fácil seguir estirando la goma y continuar razonando qué ocurre si, aun ya generando helio a partir del hidrógeno, nuestro pedrolo caliente sigue agregando más y más hidrógeno. Los átomos de helio también se combinarán generando carbono, y, si la cantidad original de hidrógeno fue lo suficientemente grande, este seguirá juntándose para producir elementos cada vez más pesados, como el neón, el oxígeno, el silicio, el níquel, y el hierro. Esto es lo que se denomina fusión nuclear, que en esencia son átomos fundiéndose unos con otros para formar otros átomos mayores o más pesados.
_____________________
1 El Big Bang no sólo generó hidrógeno en su forma H-1. Lo hizo también bajo otras configuraciones, y generó también helio, el siguiente elemento en la tabla periódica. Pero entrar en estas tesituras ni aporta nada a lo que necesitamos para tratar este tema, ni resta un ápice de belleza a la brutal sencillez que genera la abrumadora complejidad que nos rodea.
Vemos por tanto que cuando la gravedad gana la batalla a la fuerza electromagnética, nace una estrella. Y me diréis: “No, chaval, no te pases. Cuando la gravedad vence al electromagnetismo, generamos nuevos elementos. Nos has mentido como un bellaco, ya que aunque nos has respondido a la pregunta sobre de dónde vienen los átomos que nos forman, aquí, de estrellas, no hemos visto nada. Con la ilusión que nos hacía.” Y una vez más, estaréis en lo cierto.
De hecho, si nuestro amigo Einstein no hubiese venido a remover lo que ya parecía un conocimiento estable y razonablemente completo del Universo, no pasaría gran cosa. Pero vino y nos regaló la famosa E = mc2. Nosotros con ella hemos hecho camisetas, pero nuestro amigo el Universo ha sabido sacarle mucho más partido.
Esta ecuación, importantísima pero aún más sencilla, viene a decir en romano parlante básicamente que la energía es igual a la materia multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Es decir, que si tengo materia, puedo transformarla en energía, y viceversa. Materia y energía son dos manifestaciones de lo mismo. En términos muy gañanes, pero muy intuitivos podemos decir que la materia es energía condensada, ya que basta con multiplicarla por la velocidad de la luz al cuadrado pasa saber cuánta energía hay en ella contenida. Es decir, que la masa que tiene mi silla, por la velocidad de la luz al cuadrado, es la energía sobre la que estoy sentado. Y como la velocidad de la luz es un número muy grande (recordemos, 300.000 km/s en el vacío), 300.000 x 300.000 es un número aún mayor, de lo que se deduce que una cantidad muy pequeña de materia, contiene una cantidad muy grande energía.
Bien, ya sabemos que la materia y la energía son la misma cosa. Y por muy mal que fuésemos en ciencias cuando íbamos al cole, todos recordamos, casi como un mantra, que la energía ni se crea ni se destruye, simplemente, se transforma.
Esto quiere decir que el universo contiene una cantidad concreta de la combinación materia + energía, y no se puede alterar. Puedo convertir materia en energía, y viceversa, pero el volumen neto de ambas se mantendrá, siempre, inalterable.
Volviendo a nuestro pedrolo de hidrógeno, el cual era lo suficientemente masivo como para juntan los átomos de hidrógeno y convertirlos en helio, podemos deducir que un átomo de helio debe pesar, exactamente, el doble que uno de hidrógeno. Si pesase menos, al combinarlos, estaríamos perdiendo masa, y si pesase más, la estaríamos ganando de la nada, lo cual violaría el principio fundamental de conservación de la energía. Le estaría quitando o regalando energía al Universo, y hasta ahí podríamos llegar… Así que fin: un átomo de helio pesa el doble que uno de hidrógeno, y uno de carbono pesa el triple que uno de helio o el séxtuple que uno de hidrógeno.
Pues no.
Un átomo de helio pesa menos que los dos átomos de hidrógeno que lo forman. Esto significa que, para no violar el principio de conservación de la energía, el trozo de materia que falta, tiene que haberse convertido en energía según la fórmula E = mc2.
Exacto. Esa pequeña diferencia de materia se transforma en una gran cantidad de energía (en comparación), en forma de fotones que llegan hasta nosotros.
Por eso las estrellas nos dan luz y calor.
Por eso, aunque en el sentido contrario, tenemos armas nucleares.
Por eso, cuando la humanidad aprenda a fusionar átomos de hidrógeno, tal cual hace el Sol, tendremos energía limpia e inagotable: hidrógeno hay para hartar, y el residuo que generamos es helio, que, oiga, no tiene mucho de malo y nos podríamos deshacer de él sencillamente soltándolo al espacio o de otro buen montón de formas no contaminantes.
Pues bien, ya está, ¿no? Las cosas se juntan, se aprietan, y se combinan. Así salen todos los átomos diferentes al hidrógeno. Bien, gracias. ¿Me puedo ir ya?
No.
Este proceso sólo explica los elementos que llegan hasta el hierro. Otro rápido vistazo a la tabla periódica (es lo malo de copiar, que acabas no aprendiendo), nos hace ver que llegar hasta el hierro no es mucho. Hay muchos elementos por detrás que contienen muchos más de los 26 protones que éste tiene en su núcleo. Está, por ejemplo, el oro de tu anillo. ¿Qué más ocurre? Je, je, alguna cosilla más, y muy muy interesante.
Ocurre que el hierro es un átomo muy estable. De hecho, el que más. Esto hace que romperlo (fisionarlo) resulte muy difícil, ya que lo que generaríamos serían átomos más pequeños, pero también menos estables. Y lo mismo ocurre con juntarlos (fusionarlo): tendríamos elementos más pesados, pero menos estables. Esto quiere decir que, tomemos el camino que tomemos para transmutar el hierro en otros elementos, este proceso no generará energía, sino que la absorberá. No es sencillo comprender este punto en profundidad, nos basta de momento con sencillamente saberlo y aproximarlo de esta forma.2
Las estrellas, hasta alcanzar el hierro, han estado en un constante tira y afloja: la gravedad tiende a apretarlas, haciéndolas cada vez más pequeñas; y la presión generada por el calor consecuencia de las reacciones de fusión de su núcleo tiende a expandirlas. Ambas fuerzas se equilibran, y la estrella ni crece ni empequeñece.3 Esto se denomina equilibrio hidrostático.
En función de la masa inicial de la estrella, pueden ocurrir dos cosas, en las que siempre gana la gravedad.
Si la masa inicial de la estrella no es suficiente como para alcanzar el punto de generación de hierro, se habrá quedado en un punto intermedio por el camino. Cuando, al generar carbono, por ejemplo, no tenga masa suficiente como para generar la presión que permita que este se fusione en otros elementos, sencillamente dejará de fusionar. Diremos que se ha consumido su combustible.
Por tanto, deja de generar energía, y la batalla entre gravedad y radiación se resuelve a favor de la primera, por lo que la estrella se comprime. Dado que no es muy masiva, llegará un punto en que los electrones frenen esta compresión, al repelerse, y hagan que las capas exteriores salgan despedidas de una forma “plácida”, dispersándose.
En este caso esta estrella sólo habrá servido para sembrar su pequeño huerto galáctico con un montón de nuevos elementos químicos, que podrán posteriormente ser utilizados para formarte, y en su centro dejan un cadáver, muy denso pero ya incapaz de generar energía, que está condenado a enfriarse de forma paulatina durante los eones venideros (salvo que tenga una amiga, pero esto es otro tema).
_____________________
2 Piénsese en esto: si el hierro no fuese más estable que sus elementos predecesores, menos pesados, y por tanto pudiese romperse con facilidad generando energía en el proceso, podríamos deshacer el camino hasta el hidrógeno comprimiendo áun más, y volverlo a empezar al llegar este hasta alcanzar de nuevo el hierro. En esencia, esto convertiría a la gravedad en un generador infinito de energía, y enviaría más allá de donde Cristo perdió las albarcas al mismísimo principio de conservación de la energía. Las consecuencias: que no estaríamos aquí.
3 Exactamente no es así. La estrella pasa por diferentes etapas en su vida, en las cuales su tamaño varía en función de cómo va variando la lucha que mantienen la gravedad y la radiación. Esto es sencillamente una aproximación de lo que ocurre en el ciclo más largo de todos por el que pasa la estrella: su secuencia principal.
Si la estrella tenía masa suficiente, acaba generando hierro, y, cuando alcanza este punto, está condenada. ¿Por qué? Porque haga lo que haga, no podrá generar más energía, por lo que de nuevo será la gravedad quien gane la batalla del equilibrio hidrostático. Pero esta vez, dado que la estrella es más masiva, puede eventualmente romper la resistencia ofrecida por los electrones. Más allá de que el cadáver resultante puede despertar más interés por lo exótico del tema (hablamos de estrellas de neutrones, agujeros negros, e incluso las aún hipotéticas estrellas de quarks), lo importante es que esta caída de masa puede acabar rebotando de forma enormemente violenta, expulsando estos materiales a enormes distancias, y, con frecuencia alcanzando otras nubes de gas que yacían tranquilas y frías. Al hacerlo, enriquecen estas nubes con sus elementos más pesados e interesantes que el hidrógeno primigenio, y las comprimen, desencadenando la formación nuevas estrellas, y poniendo, de nuevo, a funcionar la máquina universal. Es decir, las estrellas, gracias a este proceso denominado supernova, se enriquecen y se reproducen. Literalmente. Y la nueva generación de estrellas quizá tenga los materiales suficientes como para generar planetas, y, posiblemente, la vida.
Este mecanismo de reproducción es muy común, y se cree que nuestro sistema solar fue generado en una guardería de estrellas que nació como consecuencia de la compresión de una nube de polvo gracias a la ayuda de una supernova, la cual dejó también los elementos que nos forman y que no estaban presentes en la nube original, principalmente compuestas de hidrógeno y helio.
Este proceso tan violento es la pieza que nos faltaba: es el único que contiene tanta energía como para ser capaz de coger los escombros que eyecta, y fusionarlos en otros elementos más pesados, generando en el proceso nuevos elementos que ninguna estrella es capaz de forjar en su horno nuclear. El oro de tu anillo, y cualquier elemento más pesado que el hierro, viene de una supernova.
Bien, pues hasta aquí. Al final parece que, efectivamente, somos polvo de estrellas condimentado con un poco de la esencia original del Universo. Apasionante y poético. ¿Qué más se puede pedir?
De nuevo, esto es sólo una aproximación. Ha habido que simplificar al máximo algunos procesos, y que obviar detalles que no por no aportar valor conceptual no dejan de ser muy interesantes. Nuestra intención es, una vez más, entretener y, a poder ser, generar curiosidad y respeto por la Ciencia. Si hemos conseguido sólo la mitad, nos despedimos contentos.
¡Nos vemos!
Entusiasta del software, la música, y la ciencia, llevo desde chaval metido en los tres tinglados todo lo que mi tiempo y mis capacidades me permiten. Estudié Ingeniería Técnica Informática en la Universidad de Castilla – La Mancha, Máster Universitario en Tecnologías Informáticas Avanzadas en la misma universidad, y Máster Universitario en Inteligencia Artificial por la Universidad Internacional de la Rioja, y me he dedicado al software durante toda mi vida profesional, así como a leer toda la divulgación posible sobre ciencia, especialmente en las ramas de la astrofísica y astronomía, e interiorizarla al paso de alguien con más paciencia que entendederas.
