Formación de Estrellas (Parte II)

    Como apunté en la entrada Ciclo del Carbono (Formación de Estrellas ) Parte I , el ciclo del Carbono descrito allí no es el único que transforma el Hidrógeno en Helio. Aquí explicaré un proceso más simple aunque más importante, al menos, en el caso de nuestra estrella, el Sol (por una cuestión de temperatura, como se verá más adelante). Fue descubierto poco después del ciclo del Carbono, también por Hans Bethe, esta vez de forma única. Nuestro Sol es una estrella significativa a nivel estelar, no solo por ser la más próxima a nosotros, también por poseer unas características muy importantes y muchas incógnitas aún por descubrir, pero no entraré aquí en ese tema por ser muy extenso aunque de un gran interés (Secuencia Principal, diagrama HR, evolución, ciclos solares, radiaciones,...).

   Como nota aclaratoria, tanto en ésta como en aquella entrada, no son necesarios grandes conocimientos de química o física, simplemente con las nociones más básicas es posible entender correctamente los argumentos descritos.

  El mencionado ciclo del Carbono obliga a disponer de una determinada cantidad de Carbono, Nitrógeno u Oxígeno. Los átomos de estos elementos no se consumen en el proceso sino que se van transformando a lo largo del tiempo en las fases intermedias de la creación de Helio a partir de Hidrógeno. Bethe demostró que se puede prescindir del Carbono, el Oxígeno y el Nitrógeno.

   El ciclo de la cadena protón-protón, como así se denomina, parte de dos protones que chocan y se fusionan emitiendo un positrón y un neutrino (elementos especiales, como comenté en la entrada del ciclo del Carbono). El núcleo restante consiste ahora únicamente de un protón y un neutrón, por lo que este núcleo tiene ahora la misma carga que el Hidrógeno pero su masa es el doble, llamado Deuterio o hidrógeno pesado. Si un núcleo de Hidrógeno choca con un núcleo de Deuterio, los dos núcleos se unen formando un átomo de Helio que consiste en 2 protones y 1 neutrón pero este Helio es un isótopo ligero, que denominaremos He3, ya que su número atómico es el del Helio pero su número másico es menor (3 en vez de 4). Si ahora chocan 2 núcleos de He3, se fusionarán formando un núcleo de Helio 4 (el correcto), liberando 2 núcleos de Hidrógeno. En esta cadena, 4 núcleos de Hidrógeno han formado un único núcleo de Helio.

   Este proceso es más sencillo que el ciclo del Carbono, por lo que, la cuestión natural que surge es ¿cuál de estos dos mecanismos actúa en las estrellas para crear energía? No existe una respuesta única pues el que un proceso se genere en detrimento del otro depende de la temperatura: 

1) Si la temperatura está comprendida entre 10 millones y 50 millones de grados (temperatura baja en términos estelares) se dan los procesos de cadena protón-protón aquí descritos. Hay que destacar que nuestro Sol posee una temperatura interior de 40 millones de grados (en la superficie es, aproximadamente, de tan solo 5800 grados Kelvin), dato probado por el astrofísico Arthur Eddington.

2) Si la temperatura es mucho más alta, del orden de centenares de millones de grados, predomina el ciclo del Carbono para la producción de energía.

Cabe destacar la falta de mención de la masa de la estrella, la cual es vital en estos procesos. ¿Por qué? Si se consideran estrellas de masa cada vez más pequeña, obviamente su temperatura central es cada vez menor. Llega un punto en el que el proceso de la cadena protón-protón ya no funciona plenamente y falla la fase final, la fusión de los dos núcleos de He3, con lo que ya no es posible transformar el Hidrógeno en Helio 4 (He4). Se ha calculado que las estrellas con unas 8 centésimas de la masa solar o menos ya no son capaces de quemar Hidrógeno porque la temperatura de su interior no es lo suficientemente elevada para realizar el proceso.

   Actualmente se teoriza sobre la importancia del proceso de la cadena protón-protón en la formación de las primeras estrellas del universo ya que se supone que tras el Big Bang sólo existían Hidrógeno y Helio, es decir, faltaban los catalizadores necesarios para el ciclo del Carbono, que surgirían después al formarse Carbono a partir de Helio en el interior de las estrellas.

   El universo y sus leyes no solo controlan el devenir de sus elementos sino que también aporta varios procedimientos para crear energía; la magia existe.

Fuente principal: Rudolf Kippenhahn

Ciclo del Carbono (Formación de Estrellas) Parte I

   Hablar del ciclo del Carbono o el ciclo del Nitrógeno es hablar de ciertas propiedades de la atmósfera en relación a los organismos vivos, cuestiones que se encuentran muy fácilmente incluso en temarios de instituto. 

   Esta entrada está referida, por otro lado, al ciclo del Carbono que crea estrellas, que crea soles, en definitiva, cómo nacieron, se constituyeron y siguen transmitiendo energía todas las estrellas del universo, es decir, todo lo que fuimos, somos y seremos. El descubrimiento de este complejo ciclo sucedió en el año 1938 y le otorgó al astrofísico Hans Bethe el Premio Nobel del Física en el año 1967. Pero, como la historia la escriben los ganadores, tengo que mencionar que el descubrimiento fue resuelto conjuntamente pero independientemente por el equipo de Bethe en Estados Unidos y el físico alemán Carl Friedrich von Weizsäcker en Alemania y que el premio debió concederse compartido, como ha sucedido en varias ocasiones en distintas disciplinas. Todos sabemos lo que le sucedió a Alemania al concluir la Segunda Guerra Mundial.

   El ciclo del Carbono es el mecanismo (no el único, explicaré otro proceso en la entrada II) por el que las estrellas transforman Hidrógeno en Helio, lo que produce, como "desecho" de la reacción, ingentes cantidades de energía, casi brobdingnagianas. Las estrellas se comportan pues, como centrales nucleares de fusión (las de fisión son las que existen en nuestro planeta, las de fusión, es decir, unión, necesitan temperaturas elevadísimas, del orden de centenas de millones de grados centígrados, para realizar la unión de los núcleos, algo aún en fase experimental con la tecnología actual).

   El proceso supone que en el interior de las estrellas, además del Hidrógeno (el átomo más simple del universo), existen otros elementos, por ejemplo el Carbono. Es sabido que los núcleos de Carbono funcionan como catalizadores, en ello se basa la química orgánica. El Hidrógeno se une con estos núcleos y forma en su interior átomos de Helio. Así, los núcleos de Carbono expulsan los átomos de Hidrógeno convertidos, gracias a la fusión, en átomos de Helio. Hay que matizar que para que se produzca la fusión de átomos, éstos deben superar la fuerza eléctrica de repulsión de las cargas del mismo signo y superar así en magnitud, ésta a la fuerza de la gravedad que atrae los átomos, lo cual requiere enormes cifras de temperatura, como comenté antes, para que el movimiento de los átomos sea muy violento y rápido, de órdenes de velocidades superiores a 1000 kilómetros por segundo.

   Es un proceso cíclico el ciclo del Carbono, en el que un núcleo de Hidrógeno (peso atómico 1) choca con un núcleo de Carbono, cuyo peso atómico es 12, como es conocido, al cual llamaremos C12. El núcleo de Hidrógeno puede superar el campo eléctrico repulsivo del Carbono y fusionarse con su núcleo (este proceso no es válido en la Física Clásica pero sí con las leyes d la Física Cuántica, una cuestión que llevó tiempo asimilar por los físicos del siglo XIX). El nuevo núcleo está compuesto ahora por 13 partículas pesadas. La carga del núcleo original de Carbono, es decir, su número atómico, ha aumentado debido a la carga positiva del protón de Hidrógeno añadido. Tenemos ahora un núcleo de Nitrógeno de número másico 13, el cual lo designaremos N13. Sucede que este tipo de Nitrógeno es radiactivo y, al cabo de cierto tiempo (no entraré aquí en períodos de vida de elementos radiactivos aunque alguna entrada escribí en alguna ocasión en el blog), expulsa dos partículas ligeras: un positrón (también llamado "anti-electrón") y un neutrino (algo así como un neutrón pero en pequeño con unas propiedades especiales). El Nitrógeno se transforma ahora en Carbono de número másico 13, esto es, C13. El núcleo pasa así a tener la misma carga que el átomo de Carbono inicial pero su número másico es ahora mayor. Se ha conseguido pues, lo que se llama un "isótopo" del núcleo inicial. Si este isótopo del Carbono recibe otro protón, forma de nuevo Nitrógeno pero éste tiene ahora número másico 14, es decir, N14. Si se une un protón más al nuevo átomo de Nitrógeno se transformará en O15, es decir, Oxígeno con número másico 15. Este núcleo también es radiactivo y emite un positrón y un neutrino transformándose en N15. Recapitulando, el proceso comenzó con C12 y ahora tenemos N15 por lo que la acumulación sucesiva de átomos de Hidrógeno ha hecho el átomo cada vez más pesado Si se une ahora otro protón al átomo de Nitrógeno, éste emitirá 2 átomos de Hidrógeno y 2 neutrones, es decir, 4 partículas que forman en conjunto un núcleo de Helio, transformándose de nuevo nuestro núcleo en el antiguo núcleo de Carbono y el ciclo se cierra.

   El proceso ha consumido 4 protones y ha formado un núcleo de Helio:en síntesis, el Hidrógeno se ha transformado en Helio. Lo más importante de este ciclo es que es fuertemente exotérmico, esto es, libera una cantidad de energía suficiente para que las estrellas puedan brillar durante miles de millones de años. Básicamente, este ciclo solo puede funcionar por la presencia de aquellos elementos que denominábamos catalizadores: el Carbono el principal, además del Nitrógeno y el Oxígeno, pero no es preciso que estén estos 3 elementos como se observa porque basta con que haya uno de los isótopos que aparecen en el proceso: si empieza la reacción, los catalizadores necesarios para las reacciones siguientes se fabrican allí mismo, fascinante ¿verdad? Pero afinando más aún, una vez finalizado el ciclo, las reacciones determinan que los isótopos estén presentes en unas cantidades determinadas y la relación entre estas cantidades depende de la temperatura del ciclo. Midiendo las proporciones de los isótopos C12, C13, N14 y N15, no solo se puede determinar si la materia del interior de las estrellas ha participado ya en la fusión del Hidrógeno a través del ciclo del Carbono sino también la temperatura a la que se ha llevado a cabo la fusión.

   La naturaleza y las leyes físicas que la rigen proporcionan la capacidad necesaria para poder seguir comprendiendo el universo tal y como fue, es y será, siendo el observador humano un simple grano de arena en una playa, así de insignificante.

Fuente principal: Rudolf Kippenhahn

Hoy Es 14 de Marzo, Día del Número Pi, ¡Felicidades!

    Como reza el título de esta entrada, hoy es el día internacional del número Pi, uno de los números más importantes de la humanidad, si no el que más, aunque infravalorado y hasta denostado por incultos para los que es más relevante definir (¿otra vez?) qué somos, cómo hablamos o las formas de relacionarnos. Hoy, a pesar de ser un día de celebración, volverá a pasar desapercibido y no obtendrá ni tan siquiera una frase, aunque sea como anécdota, al final de los boletines informativos, ni hablados, ni escritos. Raros tiempos los que nos ha tocado vivir.

   No voy a dedicar estas líneas a nada nuevo más que llamar la atención del lector sobre este magnífico número que la naturaleza nos permitió descubrir y sin el que no existiría la vida tal y como la conocemos actualmente. Este blog contiene muchas entradas dedicadas a Pi y exhorto a usar el apartado "Buscar este blog" introduciendo "Pi" para listar dichas entradas. Todas y cada una de ellas, al igual que las no referidas a Pi, son un trabajo individual, a veces complejo y al que le he dedicado mucho tiempo con el ánimo de enseñar y comprender lo que nos rodea desde la simplicidad dentro del rigor. Lo más destacable en este sentido es, en referencia al número Pi, que en algunas entradas he nombrado pero no he probado que Pi es un número irracional, precisamente porque escapa al espíritu de este blog de no traer enrevesados argumentos sólo aptos para quien tiene amplios conocimientos técnicos que pueden ayudar a perder el interés de lo que aquí se lee.

   Sin más, mis felicitaciones al número Pi. Aquí estaba antes de que llegara el hombre y seguirá estando hasta el fin del universo, ahí es nada. Sé que te encanta la tarta de chocolate, redonda, por supuesto, ¡que la disfrutes!