Hace mucho tiempo, en una galaxia muy, muy lejana…
Los habitantes de la República Galáctica no existen
ya que aún no ha ocurrido el Big Bang.
De hecho, no existe ni la República Galáctica,
ni la galaxia, ni el mismísimo universo.
Reina la nada,
que una vez nombrada desaparece
dando inicio a la imparable
flecha del tiempo.
Un (muy) viejo (no tan) conocido. El universo tiene aproximadamente 13,8 billones de años, por lo que partir desde el presente y remontarnos a su origen nos tomaría muchísimas horas de lectura. Como estamos en la era de lo inmediato, voy a ahorrarles esa “tortura” y empezar directamente por el único principio absoluto que conocemos los científicos: el inicio del universo.
Sheldon, Penny y Leonard no tienen nada que ver con esto
La Teoría del Big Bang, además de ser el nombre de una excelente serie televisiva, es una teoría científica que intenta explicar el origen del universo. En ella se postula que el universo empezó siendo tan solo un punto extremadamente caliente y denso que se comenzó a expandir.
Cuando nació el universo, nació el tiempo. Y durante sus primeros segundos la temperatura y la presión eran extremadamente elevadas. Tal es así que la materia que se creó en ese momento poco se parecía a la que conocemos actualmente. No había planetas ni estrellas, y ni hablar de seres vivos.
En los primeros instantes no existían átomos. De hecho, tampoco existían dos partículas subatómicas que concemos en la actualidad: ni los protones ni los neutrones fueron testigos del universo primitivo. Sin embargo, los electrones y otras partículas fundamentales si tuvieron esa suerte.
Más frío que el corazón de tu ex
Con el transcurso del tiempo fue descendiendo paulatinamente la temperatura y comenzó la llamada etapa fría del universo. Esto permitió que se formaran protones y neutrones que se unieron para dar lugar a los primeros núcleos atómicos. Para que estos núcleos se convirtieran en átomos era necesario que algunos se acercaran lo suficiente a ellos como para poblar los orbitales, pero esto sucedió recién luego de una larga espera.
Por ahora sigamos pensando en la etapa donde no existían átomos, sino sólo núcleos atómicos. Es lógico y acertado pensar que los primeros núcleos que se formaron fueron los más sencillos. El de Hidrógeno (H), formado únicamente por un protón, y el de Helio (He), formado por un protón y un neutrón, fueron los pioneros del universo. Estos núcleos, al no contar con una nube electrónica a su alrededor que los “protegiera”, eran el blanco ideal para sufrir reacciones nucleares.
En la variedad está el gusto
A grandes rasgos podemos decir que la identidad de un átomo está determinada por la cantidad de protones que tiene. Por ejemplo: el Hidrógeno tiene un solo protón, por lo que todos los núcleos que tengan un solo protón serán núcleos de Hidrógeno. Análogamente, aquellos núcleos que tengan más de un protón serán otro elemento distinto del Hidrógeno. Por su parte, el número de neutrones puede modificarse sin alterar la identidad del átomo. Existen núcleos de hidrógeno que no tienen neutrones, otros que tienen 1 e incluso otros que tienen 2. Todos estos son isótopos del Hidrógeno (Figura 1) ya que tienen igual cantidad de protones, pero distinta cantidad de neutrones.
Las reacciones nucleares se caracterizan por modificar el núcleo atómico en vez de la nube electrónica que lo rodea. A nivel nuclear hay dos modificaciones posibles. Por un lado se puede modificar la cantidad de neutrones que, como se mencionó en el párrafo anterior, daría lugar a un isótopo del elemento original. Por otro lado se pueden añadir o quitar protones, lo que generaría un elemento completamente nuevo.
Ambos tipos de modificaciones generan núcleos muy diversos, pero la segunda en particular permitió que en el universo primitivo se crearan nuevos elementos cada vez más pesados. Gracias a ella se sintetizaron dos nuevos núcleos livianos: el Berilio y el Litio.
Luego de la creación de esos nuevos núcleos, el universo se enfrió lo suficiente como para que los electrones se asociaran a ellos y se formaran los primeros átomos. De este modo cesaron las reacciones nucleares y por un buen tiempo existió un universo que poseía únicamente Hidrógeno, Helio, Litio y algo de Berilio.
Este universo compuesto por cuatro tipo de átomos llegó a su fin cuando éstos empezaron a acercarse entre sí gracias a la fuerza gravitatoria y formaron cuerpos cada vez más gandes y masivos que hoy conocemos como estrellas.
Como consecuencia de esta conglomeración, la tempertatura aumentó nuevamente y alcanzó valores extremadamente altos que volvieron a disociar los átomos en núcleos y electrones sueltos. Estas condiciones fueron propicias para retomar las reacciones nucleares que antes habían cesado, de modo que se generaron núcleos cada vez más y más pesados. De hecho, estas reacciones siguen pasando en la actualidad.
Somos polvo de estrellas
Puede que la frase que encabeza esta sección sea un poco trillada, pero me gustan las frases trilladas que son ciertas y el proceso triple alfa (Figura 2) explica por qué ésta lo es. Los seres vivos estamos compuestos, principalmente, por hidrocarburos (también conocidos como materia orgánica). Como su nombre lo indica, estas moléculas contienen en su mayoría hidrógeno y carbono. Ya vimos de dónde surgió el hidrógeno, pero ¿cuál es el origen del carbono?
El proceso triple alfa ocurre dentro de las estrellas. En él dos partículas alfa (núcleos de Helio-4) colisionan liberando energía en forma de rayo gamma y dando lugar a un núcleo de Berilio-8. Luego, el Berilio-8 colisiona con otra partícula alfa, liberando aún más energía y originado el núcleo de un elemento fundamental para que haya vida: el de Carbono-12.
Luego del proceso triple alfa se formaron nucleos incluso más pesados que el de Carbono-12. De hecho, surgieron todos los núcleos de elementos químicos que poseen hasta 56 protones. Esto implica que el núcleo más pesado que se formó en ese momento fue el de Hierro. Sin embargo, hoy en día conocemos muchos núcleos más pesados que éste. Entonces… ¿qué sucedió?
Las reacciones necesarias para formar núcleos más pesados son termodinámicamente desfavorables, es decir, no suceden a menos que les entreguemos energía. La enorme cantidad de energía necesaria se puede liberar solo en ciertos eventos, tal como la explosión de una supernova. Por lo tanto, los núcleos más pesados como el oro, el uranio y la plata, entre otros, se originaron recién cuando la primera supernova estalló. Esto, además de respaldar su existencia, explica su escasez en el universo.
Lecturas recomendadas
Si te quedaste con ganas de conocer más sobre reacciones intraestelares te recomiendo “Supernovas, máquinas de elementos para el universo”, de Miguel Jiménez Ortega.
Referencias
- Howell, E. (2021). What is the Big Bang Theory? Recuperado de: https://www.space.com/25126-big-bang-theory.html
- Williams, M. (2015). What is the Big Bang Theory? Recuperado de: https://phys.org/news/2015-12-big-theory.html
Julieta Trapé
Graduada en Ciencias Básicas con orientación en Química. UNCuyo, Mendoza, Argentina.
Data Architect en Globant, Argentina.
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