¿Cómo se crean los elementos de hidrógeno y helio?
La nucleosíntesis estelar es el proceso mediante el cual se crean elementos dentro de las estrellas mediante la combinación de protones y neutrones de los núcleos de elementos más ligeros. Todos los átomos del universo comenzaron como hidrógeno. La fusión dentro de las estrellas transforma el hidrógeno en helio, calor y radiación. Los elementos más pesados se crean en diferentes tipos de estrellas a medida que mueren o explotan.
Historia de la Teoría
La idea de que las estrellas fusionan los átomos de los elementos ligeros fue propuesta por primera vez en la década de 1920 por Arthur Eddington, un firme partidario de Einstein. Sin embargo, el verdadero mérito de desarrollarla en una teoría coherente se le da al trabajo de Fred Hoyle después de la Segunda Guerra Mundial.
La teoría de Hoyle contenía algunas diferencias significativas con la teoría actual, más notablemente que él no creía en la teoría del Big Bang, sino que continuamente se creaba hidrógeno dentro de nuestro universo. (Esta teoría alternativa se denominó teoría del estado estacionario y cayó en desgracia cuando se detectó la radiación cósmica de fondo de microondas).
Las primeras estrellas
El tipo más simple de átomo en el universo es un átomo de hidrógeno, que contiene un solo protón en el núcleo (posiblemente con algunos neutrones colgando también) con electrones rodeando ese núcleo.
Ahora se cree que estos protones se formaron cuando el plasma de quarks-gluones de energía increíblemente alta del universo temprano perdió suficiente energía para que los quarks comenzaran a unirse para formar protones (y otros hadrones, como neutrones). El hidrógeno se formó casi instantáneamente e incluso el helio (con núcleos que contienen 2 protones) se formó en un orden relativamente corto (parte de un proceso denominado nucleosíntesis del Big Bang).
A medida que este hidrógeno y helio comenzaron a formarse en el universo temprano, hubo algunas áreas donde era más denso que en otras. La gravedad tomó el control y, finalmente, estos átomos se unieron en nubes masivas de gas en la inmensidad del espacio. Una vez que estas nubes se volvieron lo suficientemente grandes, fueron unidas por la gravedad con la fuerza suficiente para hacer que los núcleos atómicos se fusionaran, en un proceso llamado fusión nuclear.
El resultado de este proceso de fusión es que los dos átomos de un protón ahora han formado un solo átomo de dos protones. En otras palabras, dos átomos de hidrógeno han comenzado un solo átomo de helio. La energía liberada durante este proceso es lo que hace que el sol (o cualquier otra estrella, para el caso) se queme.
Se necesitan casi 10 millones de años para quemar el hidrógeno y luego las cosas se calientan y el helio comienza a fusionarse. La nucleosíntesis estelar continúa creando elementos cada vez más pesados hasta que terminas con hierro.
Creando los elementos más pesados
La quema de helio para producir elementos más pesados continúa durante aproximadamente 1 millón de años. En gran parte, se fusiona en carbono a través del proceso triple alfa en el que se transforman tres núcleos de helio-4 (partículas alfa). El proceso alfa luego combina helio con carbono para producir elementos más pesados, pero solo aquellos con un número par de protones.
Las combinaciones van en este orden:
- El carbono más helio produce oxígeno.
- Oxígeno más helio produce neón.
- El neón más helio produce magnesio.
- El magnesio más helio produce silicio.
- El silicio más helio produce azufre.
- El azufre más helio produce argón.
- El argón más helio produce calcio.
- El calcio más helio produce titanio.
- El titanio más helio produce cromo.
- El cromo más helio produce hierro.
Otras vías de fusión crean los elementos con números impares de protones. El hierro tiene un núcleo tan unido que no hay más fusión una vez que se alcanza ese punto. Sin el calor de la fusión, la estrella colapsa y explota en una onda de choque.
El físico Lawrence Krauss señala que se necesitan 100.000 años para que el carbono se queme en oxígeno, 10.000 años para que el oxígeno se queme en silicio y un día para que el silicio se queme en hierro y presagie el colapso de la estrella.
El astrónomo Carl Sagan en la serie de televisión «Cosmos» señaló: «Estamos hechos de estrellas». Krauss estuvo de acuerdo, afirmando que «cada átomo de su cuerpo estuvo una vez dentro de una estrella que explotó … Los átomos en su mano izquierda probablemente vinieron de una estrella diferente a la de su mano derecha, porque 200 millones de estrellas han explotado para formar los átomos En tu cuerpo.»
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