Cómo regalar un trocito de estrella supermasiva

Noche de primavera, fresca, con una inmensa luna llena brillando en el cielo y un embriagador aroma dulzón flotando en el aire. Hace mucho tiempo que vienes planificando lo que vas a hacer ésta noche, y las condiciones para llevar a cabo tu plan son perfectas. Llevas a tu amada a cenar y luego van a pasear por un camino junto al rio. Ambos recuerdan que ésta noche es el aniversario del inicio de su relación y rememoran juntos los mejores momentos que han vivido a lo largo de la misma. Llega el momento cúlmine de la noche, lo que tanto has planeado. Sin importarte un comino los clichés hollywoodenses, te paras frente a ella, apoyas una rodilla en el piso, sacas del bolsillo interno de tu traje el pequeño estuche y lo abres súbitamente, revelando un precioso anillo de oro.

De aquí en adelante las reacciones de tu amada pueden ser muy variadas. Lo más probable es que con ojos llorosos te lance un ahogado “acepto” y se arroje directamente en tus brazos. Y es lógico, pues ese pequeño anillo dorado en realidad representa un gran compromiso por asumir en el futuro. Pero más allá de lo que implica ese anillo para el futuro de su vida, ¿será consiente tu reciente esposa de todo lo que ha sucedido en el pasado para que ese anillo llegase hasta ella? ¿Tendrá alguna idea de la serie de increíbles eventos que tuvieron que darse para que ese pequeño trozo de oro envuelva ahora su dedo?

Eso es justamente lo que me dispongo a analizar aquí. Para muchos el oro (u otros metales preciosos similares) puede representar un acto de amor como ningún otro; otros en cambio pueden verlo como un pedazo de metal sin ninguna importancia más allá de su valor monetario. Sin embargo la formación del oro (y otros elementos similares) esconde tras si uno de los eventos más espectaculares y caóticos que existen en todo nuestro universo. Volvamos un poco atrás en el tiempo, solo un poquito, aproximadamente 13.700 millones de años, al momento en que todo empezó con un Bang!...

BANG!

El universo empezó con el Big Bang, esa colosal explosión que en realidad no fue explosión ni fue colosal, pero que dio existencia a todo lo que conocemos y todo lo que nos rodea. ¿No fue explosión? No realmente, porque para que algo pueda explotar tiene que estar en algún lado, y antes de la creación del universo mismo no había “algún lado”. Podríamos decir que fue más bien una expansión muy acelerada, en lugar de explosión. ¿No fue colosal? Todo lo contrario, en el momento del Big Bang todo lo que hoy conocemos, las miles de millones de galaxias, todas las estrellas y planetas, todo se encontraba concentrado en un objeto muy pequeño, incluso más pequeño que un átomo. A ese objeto increíblemente pequeño, masivo, denso y caliente lo llamamos “singularidad”, que es la palabra científica para “no tenemos la menor idea de qué era eso”.

Tras el Big Bang, después de complicadísimas etapas bien definidas en las cuales ocurrieron toda clase de cosas espectaculares y absurdas, en las cuales hay que invertir mucha paciencia e imaginación para entenderlas, y las cuales no voy a analizar aquí porque no vienen al caso, podemos decir que el universo se encontraba formado principalmente por hidrógeno, más un poco de helio y despreciables cantidades de litio. Eso es todo lo que había en el universo momentos después de su formación; no había ni carbono, ni oxígeno, ni calcio, ni ninguno de los otros elementos que tan familiares nos resultan. ¿De dónde salieron el resto de los elementos de la tabla periódica entonces?

Gráfica representativa de las diferentes fases de expansión del universo, desde el momento del Big Bang ocurrido hace 13.700 millones de años.

Resulta que en cierto momento, algunos pocos millones de años después de las “gran explosión”, el universo se cansó de ser un lugar aburrido y prácticamente uniforme, formado únicamente por inimaginablemente enormes nubes de gases (hidrógeno y helio), similares a las nebulosas que podemos observar hoy en día. Entonces decidió utilizar una de las cuatro fuerzas fundamentales, que hoy conocemos como “gravedad”, para volver las cosas un poquito más interesantes. Y de esta forma el universo mismo se las ingenió para crear sus propias fábricas de elementos.

Lo que sucede es que a la gravedad le gusta juntar cosas, le gusta unir todo aquello que pueda unir. Por ejemplo, le gusta unir tus pies a la Tierra, de manera que no salgas flotando libremente hacia el espacio. Le gusta unir a todos los planetas en una órbita estable alrededor del Sol, para que no se escapen hacia las desoladoras inmensidades del espacio. Y del mismo modo, cuando encuentra nubes de gases relativamente separados, le gusta condensar esas nubes, comprimirlas lo más posible, hasta que éstas forman lo que se conoce como “disco de acreción”, es decir, una inmensa nube de gas en forma de disco que rota sobre sí mismo y comprime cada vez más y más dicho gas hacia el centro.

Gráfica ilustrativa sobre las diferentes etapas de formación de una estrella y su sistema estelar: en primer lugar la gravedad comprime las nubes de gases, luego se forma el disco de acreción y la protoestrella, cuando la estrella ya se encuentra formada empieza el barrido del resto de material que forma los planetas, y finalmente el sistema estelar se forma por completo.

La gravedad continúa agrupando materia y tras algún tiempo nos encontramos frente a una protoestrella, formada por la condensación de materiales por la fuerza gravitacional. Pero la gravedad nunca tuvo la intención de dar nacimiento a una estrella, ella solo quería apretar y comprimir cosas, nada más. Entonces la misma gravedad que dio nacimiento a la protoestrella parece cambiar de propósito: ahora se dispone a asesinarla. Continúa apretando y presionando sin detenerse, y las temperaturas en el centro de la protoestrella alcanzan proporciones extremas. Entonces algo increíble sucede: la fusión nuclear. Las temperaturas en el núcleo son tan altas que los átomos de hidrógeno comienzan a fusionarse entre sí, formando en el proceso átomos de helio y liberando cantidades enormes de energía. Toda esta energía liberada por la fusión nuclear se convierte en presión ejercida por el núcleo de la estrella hacia el exterior, la cual contrarresta a la fuerza de gravedad, detiene la contracción de la estrella y consigue un momentáneo equilibrio.

Equilibrio en el interior de la estrella conseguido por el balance entre la presión interna que empuja hacia afuera y la fuerza de gravedad que comprime a la estrella hacia el centro.

La etapa principal de vida de la estrella transcurrirá en este estado de equilibrio. Dependiendo de cuán masiva sea una estrella, vivirá más o menos tiempo: las estrellas masivas viven vidas cortas y extremas, mientras que aquellas pequeñas queman su combustible más lentamente y viven mucho más tiempo. Dependiendo de su masa podemos decir si una estrella tiene los “millones de años” o los “miles de millones de años” contados. Y sucede que más allá de todo, independientemente de que sean millones o miles de millones, tarde o temprano la gravedad tomará revancha y acabará con la estrella. Todas han muerto y morirán en manos de la gravedad. Pero la forma en que muere cada una de ellas si depende directamente de cuán masiva es la estrella en cuestión.

Ciclo de vida de las estrellas. En esta gráfica se muestra, de manera muy general, la vida y el destino final de las estrellas dependiendo de cuan masivas sean tras su formación.

Veamos por ejemplo qué le sucederá a nuestro propio Sol cuando alcance sus momentos finales. El Sol es una estrella mediana, no demasiado masiva comparada con otras estrellas, lo cual le presagia un futuro y destino bastante tranquilo. Ésta pasará la fase principal de su vida (en la cual se encuentra en este momento) fusionando hidrógeno y convirtiéndolo en helio, hasta que en cierto momento sus reservas de hidrógeno se agoten y deba comenzar a fusionar helio, lo cual sucederá en aproximadamente 5.000 millones de años. Entonces la presión interna no será capaz de contrarrestar eficientemente a la gravedad, lo cual provocará que el núcleo se contraiga, produciendo un exceso de energía que calentará las capas externas de la estrella, provocando que ésta se “hinche” enormemente y se convierta en una gigante roja. En dicho momento, el diámetro del Sol sobrepasará a la órbita actual de la Tierra, por lo cual en su fase de gigante roja el Sol se tragará a todos los planetas interiores, incluyendo nuestra bonita Tierra. Tras esta momentánea fase de gigante roja engullidora de planetas, nuestra estrella expulsará sus capas exteriores hacia el espacio en forma de nebulosa planetaria, y lo único que quedará de ella será lo que se conoce como enana blanca, el pequeño remanente de lo que una vez fue una brillante estrella, que se irá enfriando poco a poco hasta finalmente apagarse por completo. Ese es el destino de nuestro Sol y cualquier estrella de masa inferior a 9 o 10 masas solares: tranquilo, hermoso, irónico en cierto sentido, pero sin catástrofes demasiado tremendas; a continuación veremos porque digo esto.

Ciclo de vida de nuestra estrella, incluyendo su fase de gigante roja y la expulsión de su material en forma de nebulosa planetaria, lo que finalmente acabará con ella.

Analicemos ahora el caso de las estrellas supermasivas, con masas mayores a 9 o 10 masas solares. Como expliqué al principio, cuanto más masiva es la estrella, más rápido quema su combustible disponible y más rápido muere. Las estrellas supermasivas tienen vidas interesantes, y mueren siempre siendo jóvenes y de manera caótica. Digo que sus vidas son más interesantes porque las estrellas masivas no se limitan a procesar solo hidrógeno y helio, sino que pueden procesar y crear una amplia gama de diferentes elementos. Al igual que las estrellas pequeñas como el Sol, éstas comienzan fusionando átomos de hidrógeno en helio y liberando energía en el proceso; pero no se detienen ahí. En cambio estas deciden continuar con el proceso de fusión, y entonces comienzan a fusionar átomos de helio, creando de esta forma átomos de carbono y liberando energía en el proceso. Como si de una fábrica de nuevos elementos se tratase, la estrella no se detendrá y continuará fusionando y creando cosas nuevas: fusionará carbono para crear neón, fusionará neón para crear oxígeno, hará lo mismo con el oxígeno para crear silicio, y así sucesivamente, poniendo en el proceso a los nuevos elementos creados en diferentes capas, tal como si se tratase de la estructura interna de una cebolla separada en capas.

Proceso de creación de nuevos elementos en una estrella masiva, los cuales quedan acomodados en la estrella como si se tratase de las diferentes capas de una cebolla.

Todo parecía ir saliendo tan bien para la regordeta estrella, fusionando y creando como toda una artista; pero lo bueno tenía que llegar a un fin: tras la fusión del silicio la estrella se topa con el hierro, y el hierro es asesino de estrellas. Mientras que la fusión de todos los otros elementos liberaba energía en el proceso, energía que generaba presión hacia el exterior y contrarrestaba a la gravedad que deseaba aniquilar a la estrella, la fusión del hierro en cambio consume energía en lugar de liberarla. Y adiós querida estrella. El núcleo deja de generar energía y ya no puede soportar su propio peso ni el peso de todas las otras capas: la gravedad finalmente gana. En unos pocos instantes la estrella es comprimida de manera inimaginable por la gravedad, lo cual genera una presión extrema y produce un “efecto rebote”, que hace explotar violentamente a la estrella en lo que conocemos como supernova. Dicha explosión es tan tremenda que libera en unos instantes miles de millones de veces más energia que la liberada por el Sol en toda su vida.

La vida de la estrella ha acabado, ésta ha muerto caóticamente, y dependiendo de la masa de la estrella ésta dejara tras si dos posibles remanentes, uno más exótico y bizarro que el otro: una estrella de neutrones o un agujero negro. Para explicarlo rápidamente, en las estrellas menos masivas (de las supermasivas) la gravedad gana pero no del todo, por lo cual comprime a la estrella en un exótico objeto llamado estrella de neutrones, donde los átomos están tan apretados que los electrones y protones se fusionan y quedan puros neutrones; este objeto es tan denso que una cucharadita del mismo pesaría millones de toneladas. Por otro lado, en las más masivas de las estrellas, la gravedad gana la batalla completamente, y la fuerza gravitatoria se vuelve tan intensa que ni siquiera la propia luz puede escapar de sus garras. Y debido a que nada puede viajar más rápido que la luz (bueno, quizás los neutrinos, pero dejemos eso de lado por ahora), eso quiere decir que nada, absolutamente nada puede escapar a la fuerza gravitatoria de un agujero negro.

Nacimiento, vida y muerte de las estrellas masivas. Estas estrellas viven vidas cortas y mueren de maneras increíbles, dando lugar a los objetos más extraños del universo.

Hasta aquí hemos analizado como viven y mueren las estrellas, y cómo crean en el proceso elementos como el carbono, el oxigeno, el hierro y otros que nos son muy conocidos. ¿Pero que hay acerca del anillo de oro que estabas colocando en el dedo de tu amada al inicio del artículo? Si recordamos la tabla periódica de los elementos, el oro se encuentra mucho después del hierro. Mientras que el hierro cuenta con 26 protones, el oro está constituido por 79 protones. Esto quiere decir que tuvo que producirse la fusión de muchos otros elementos después del hierro para llegar hasta el oro. Pero aguarden un momento, ¿la fusión en el interior de las estrellas no se detenía en el hierro? ¿No era éste el asesino de estrellas que impedía la fusión y creación de nueva materia? ¿Cómo es que se termina formando el oro y todos los otros elementos más pesados que el hierro?

Como dije anteriormente, la creación de los elementos nuevos se produce mediante la fusión, la cual se presenta bajo condiciones de extrema presión, como sucede en el núcleo de la estrella. Y qué momento de presión más extrema podría existir que la misma explosión de la estrella, el colosal estallido de la estrella en supernova. De manera casi increíble, es durante esos pocos espectacularmente caóticos instantes en que la estrella explota abruptamente donde se produce la creación de la gran mayoría de los elementos pesados, como el oro, la plata, el plomo y el uranio. Mediante procesos de captura de neutrones y protones durante la explosión final se crean todos estos átomos más pesados que el hierro. No es la estrella en sí quien se encarga de fabricarlos, sino su extrema muerte.

Gráfica que describe paso a paso el colapso del núcleo de una estrella masiva tras la fusión del hierro, el efecto rebote y la final explosión conocida como supernova.

Y nuevamente arribamos a la pregunta inicial, ¿se imaginará tu amada, mientras pones el anillo de oro alrededor de su dedo, que hace miles de millones de años una estrella supermasiva dio su vida para que se produjera la fabricación de ese mismo oro? ¿Será consciente de que ese metal dorado que ahora envuelve su dedo estuvo involucrado en uno de los eventos más espectaculares y caóticos de todo el universo?

En resumen, una estrella supermasiva nace de los elementos básicos del universo: hidrógeno y helio. Durante millones de años se dedica a fabricar nuevos elementos, hasta que sufre una colosal muerte en manos de la gravedad. Ese violento estallido reorganiza parte de la materia que la estrella llevaba en sus entrañas hasta crear materia nueva, la cual es escupida y dispersada a través del espacio. La estrella y su muerte han creado nuevas formas de materia que el universo no poseía en su estado original. La gravedad vuelve a actuar sobre esa nueva materia y comienza a comprimirla nuevamente, dando inicio a la formación de nuevos sistemas solares. La mayoría de ese material formara una nueva estrella, y los sobrantes se aglutinaran alrededor de ésta para formar luego los planetas. Cada uno de estos planetas poseerá cantidades diversas de estos elementos pesados. Uno de estos planetas, el tercero contando desde su estrella madre, será un planeta rocoso con buenas cantidades de elementos pesados. Curiosamente, tras fuertes etapas de caóticos cambios geológicos, en ese planeta emergerá lo que denominamos “vida”, que no es otra cosa que esa misma materia que la estrella supermasiva expulsó al momento de su muerte, pero organizada de una forma muy especial y con un propósito muy particular. La evolución actuará sobre esa “materia viva” durante aproximadamente 3.800 millones de años, creando a través de la selección natural formas de vida cada vez más complejas. Hasta que una noche de primavera, uno de los especímenes de estas formas de vida complejas decida hacer uso de uno de los elementos creados por la explosión de la estrella que le dio vida a él mismo (que no es la misma estrella que lo mantiene vivo en este momento) para indicarle a otro miembro de la especie un sentimiento que estas formas de vida parecen experimentar. Y todo parece tener una lógica universal irrechazable, pues el planeta mismo, la estrella que provee energía al planeta, el espécimen, su amada y el anillo de oro, todos ellos fueron parte de lo mismo: la estrella supermasiva que explotó en supernova y dio su vida para que todos ellos pudieran existir.

 

CREDITS: Ciencia Limada