Las nebulosas planetarias también pueden

Imagen de HST de Mz 3, la nebulosa planetaria de la Hormiga

Vivimos en un mundo regido por átomos. Utilizamos uranio para obtener energía en las centrales nucleares, o combinamos carbono con oxígeno en las de carbón. Durante siglos hemos medido la riqueza por la cantidad de oro y plata que se poseía; antes de eso, por la de un enlace iónico de cloro y sodio (en otras palabras, sal). Fabricamos objetos duraderos con aleaciones de hierro, carbono, aluminio y cromo. Nos matamos los unos a los otros con plomo acelerado mediante la explosión de una mezcla de carbono, azufre, oxígeno, nitrógeno y potasio. Usamos mercurio para tomarnos la temperatura, tenemos relojes con núcleo de cuarzo y nos comunicamos mediante dispositivos cuyo corazón es de silicio y cobre. Nosotros mismos estamos formados por miles de cuatrillones de átomos de oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, calcio, fósforo, potasio…

Inmersos como estamos en la vida cotidiana, sin embargo, casi nunca nos paramos a pensar de dónde vienen esos elementos. Y es que todos los átomos de todos los elementos químicos que existen en todo el Universo —salvo por el hidrógeno, una pequeñísima fracción del helio y una fracción ridícula de elementos más pesados que resultaron del Big Bang— fueron forjados en el interior de estrellas que ya no existen como tal, y expulsados al espacio interestelar en forma de nubes de gas al morir aquellas. Una vez allí, las nubes se agregaron poco a poco en grumos más y más densos por pura y simple atracción gravitatoria, hasta que el núcleo de cada una de las nubes alcanzó tal temperatura y tal presión que se encendió como un horno. Así nació una nueva estrella, alrededor de la cual el disco residual de gas se condensó y enfrió hasta formar planetas.

Sí, las estrellas son unos bichos de lo más curioso: nacen, crecen, mueren… y se reproducen.

Fusión termonuclear de 4 núcleos de hidrógeno (protones) en uno de helio (2 neutrones y 2 protones). | Fuente: Astro Bob, adaptada de Bob King.

Alquimia estelar

Pero centrémonos en cómo se forman los elementos. Mientras usted lee estas líneas, el Sol hace realidad el sueño de todo alquimista medieval: fabricar unos elementos a partir de otros diferentes. Y como todo alquimista que se precie, el Sol tiene un horno, su zona central, donde tiene lugar el proceso. Nuestra estrella toma cuatro núcleos de hidrógeno —el elemento más ligero de la tabla periódica, formado por un protón con un electrón a su alrededor—, y los aprieta bien juntos hasta convertirlos en uno de helio —dos protones y dos neutrones orbitados por cuatro electrones—. El excedente de esta reacción son dos positrones, dos neutrinos electrónicos (necesarios para desposeer a dos de los protones de su carga y convertirlos en neutrones), y, lo más importante, energía en forma de radiación electromagnética (luz, para entendernos). El nuevo núcleo de helio, al pesar más, se deposita en el centro, donde se va acumulando paulatinamente. Esto es lo que el Sol lleva haciendo casi cinco mil millones de años, y lo que hará durante los próximos cinco mil.

¿Por qué lo hace? No hay una razón —simplemente ocurre así—, pero, si la hubiera, no sería para alumbrarnos, créame, sino para sobrevivir: necesita la presión de radiación de la luz que se produce en la reacción para empujar las capas exteriores de la estrella y mantenerlas en su sitio; de lo contrario, su descomunal peso haría que la estrella se derrumbase sobre sí misma.

Todas las estrellas tienen este tipo de reacciones nucleares en su interior (el mecanismo de fusión que he descrito es, del puñado que hay, el más sencillo). Fusionan hidrógeno para crear helio, y más tarde fusionan helio para fabricar carbono, nitrógeno, oxígeno, etc. Cuanto más masiva sea la estrella, más pesados serán los elementos que será capaz de sintetizar.

De este modo se libra su particular guerra entre gravedad y presión de radiación. Habrá ocasiones en que una de las dos gane alguna batalla, y la estrella se hinche o se contraiga como si sufriera de alguna enfermedad tiroidea. De todas estas ocasiones, hay una especialmente crítica: si la masa de la estrella es unas cuantas veces la del Sol, llegará a un punto en el que sintetize hierro y lo acumule en su núcleo.

Imagen HST de la Nebulosa del Cangrejo. Los restos de esta supernova, que ocurrió en el año 1054, se difunden por el espacio en todas direcciones, enriqueciéndolo con los elementos procesados por la estrella antes de y al morir. | Es espectacular, sí…

El que a hierro mata…

Si la estrella tiene más de 8 veces la masa de nuestro Sol, se verá con un núcleo de hierro que debería fusionar para obtener la energía necesaria para equilibrar su peso. Pero aquí se encuentra con un gravísimo problema: la fusión del hierro en algo más pesado no produce energía, sino que la requiere (es decir, no es exotérmica, sino endotérmica). Se ve así con una materia prima que no le sirve para nada y la gravedad gana la partida: la estrella se hunde sobre sí misma en cuestión de segundos, tan rápido que las capas exteriores rebotan contra el núcleo y la estrella muere en una gigantesca explosión, como supernova de tipo II (o tipo Ib o Ic, pero no una de tipo Ia como la que tuvo lugar en la galaxia M101 el mes pasado; eso es algo diferente). Las capas exteriores son expulsadas al exterior para formar nuevas estrellas, y colorín colorado…

¿Un momento, y los elementos más pesados que el hierro? Efectivamente, si echamos un vistazo a la tabla periódica, veremos que el hierro, Fe, con número atómico 26 no es, ni mucho menos, el elemento pesado. ¿De dónde salen entonces los casi 100 que nos faltan?

Ruta para formar los diferentes isótopos del Neodimio (Nd) por captura rápida de neutrones (proceso-r). Z es el número atómico (protones) y N el número másico (neutrones+protones). Esta es la manera en que las supernovas producen elementos más pesados que el hierro. | Nótese que por este proceso no se forma el isótopo 142Nd. Fuente: Lounge of the Lab Lemming

El proceso-r: Tormenta de neutrones

La respuesta habitual es que hay otro proceso, llamado de captura de neutrones rápida (proceso-r), capaz de crear cantidades importantes de elementos pesados en los segundos que dura el colapso de la estrella. El mecanismo es el siguiente: el interior de la estrella está tan caliente y sometido a tal presión que muchos de sus átomos son despedazados, literalmente, y se producen cantidades ingentes de neutrones. Muchos de estos neutrones son capturados e incorporados a los núcleos de los átomos ya presentes, convirtiéndolos en diferentes isótopos ((las variantes de un elemento dado, donde cambia el número de neutrones en su núcleo) de elementos más pesados.

Si ahora pudiéramos convertir alguno de esos neutrones de más en protones, tendríamos un núcleo estable de un elemento más pesado que el original. Pongamos el hierro, por ejemplo, con sus 26 protones y sus 30 neutrones (56Fe). Si le añadimos 3 neutrones tendremos un isótopo muy pesado del hierro (59Fe), al que bastará cambiar un neutrón por un protón para convertirlo en un núcleo de cobalto de libro de texto (59Co). Eso, la conversión de un protón en un neutrón (o viceversa) —y la producción, como residuo, de partículas como electrones, positrones, neutrinos y antineutrinos—, es justamente lo que hace de manera espontánea la desintegración beta.

En resumen, ponga neutrones a toda mecha, y la estrella recorrerá la tabla periódica en un santiamén.

"…pero no me negarán que estás cuatro nebulosas planetarias (imágenes de HST) son al menos igual de espectaculares. Desde arriba a la izquierda y en sentido horario: M2-9 (la Mariposa), nebulosa de la Hélice, MyCn 18 (el reloj de arena), y NGC6543 (el Ojo de Gato).

Las grandes olvidadas

Comúnmente se asume que el proceso-r de captura de neutrones es el único capaz de fabricar elementos más pesados que el hierro, es decir, que todos los elementos pesados que hay en el Universo provienen de las supernovas. Así, al menos, nos lo aprendimos todos en clase de Ciencias. Sin embargo, esto no es así, es una simplificación similar a la que hacían al decirnos que no existían las raíces cuadradas o los logaritmos de números negativos.

Hoy voy a romper una lanza en favor de las nebulosas planetarias, los cadáveres estelares de las estrellas no tan masivas como para morir como supernovas (hasta 8 veces la masa del Sol). Lo cierto es que no mucha gente se fija demasiado en ellas —mis amigos, sin ir más lejos, siempre me piden que les hable de supernovas y agujeros negros—. Y es que, aunque las supernovas sean la chica más popular del instituto, la que vive más rápido y más peligrosamente, las estrellas menos masivas son el patito feo que acaba convirtiéndose en majestuoso cisne, desplegando alas —y misterios— absolutamente espectaculares (si aún no me creen, echen por ejemplo un vistazo a esto).

Las estrellas que acaban sus días como nebulosa planetaria no sólo producen la mayor parte del carbono, nitrógeno y oxígeno del Universo, sino que las más masivas de ellas son capaces de sintetizar elementos más pesados que el hierro. ¿Cómo? Mediante la captura lenta de neutrones o proceso-s.

El proceso-s: Parece que chispea

El proceso-s es mucho mas lento que el proceso-r. Sin embargo es mucho más seguro para las estrellas que lo siguen, pues no requiere dar la vida a cambio.

Libro de recetas para conseguir antimonio (122Sb) a partir de plata (108Ag) por captura lenta de neutrones (proceso-s). Z es el número atómico (protones) y N el número másico (neutrones+protones)

La principal diferencia está en el ritmo de captura de neutrones. Las estrellas que siguen este proceso, cuando se encuentran en una fase llamada rama asintóntica de las gigantes, tienen a su disposición billones de veces menos neutrones por segundo que las supernovas durante su colapso. Esto tiene dos consecuencias: en primer lugar, fabricar elementos pesados lleva miles de años en lugar de segundos, y, en segundo lugar, el ritmo establece un tope en el elemento más pesado hasta el que puede llegar. Este máximo es el bismuto (209Bi), debido a la inestabilidad de los núcleos más pesados que él (que son radioactivos, como el uranio, 238U), que se desintegran en núcleos más ligeros antes de haber tenido tiempo para capturar otro neutrón. (Este ritmo más pausado tiene, sin embargo, sus ventajas: hay algunos isótopos de ciertos elementos a los que se puede llegar por el proceso-s y no mediante el proceso-r, y viceversa.)

¿Y cual es la proporción de elementos pesados fabricados así respecto a los sintetizados en las supernovas? Pues una fracción mucho menor, de ahí que no sea un asunto muy conocido. Claro que, y aquí está el quid de la cuestión, las estrellas poco masivas son legión: suponen hasta el 90% del total de estrellas del Universo. Eso hace que este tipo de estrellas produzca aproximadamente la mitad de los elementos más pesados que el hierro que hay en el Universo, contribuyendo tanto como las populares supernovas al enriquecimiento químico de nuestra Galaxia.

Así que la próxima vez que se tome un café, piense que la materia —tanto del café como de las monedas con que lo paga— bien puede haber sido un regalo post-mortem de una estrella, que, miles de millones de años atrás, acabó sus días con el suave suspiro de una nebulosa planetaria.

25 Comentarios

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Paco Bellido

Las nebulosas planetarias se cuentan entre los objetos más hermosos que se pueden contemplar con telescopios de aficionado. Además son de los pocos objetos que se ven en color si el telescopio es medianamente grande. Os animo a apuntar vuestros telescopios a M57, la nebulosa anular de Lira, M97, la nebulosa del Búho o M27, la nebulosa Dumbbell. Todas ellas son visibles incluso con prismáticos.

César

¡Excelente entrada, Miguel! Reconozco que sé algo del tema, y a lo mejor no soy el mejor para juzgar, pero me parece difícil encontrar una forma más sencilla de explicar tan bien algo que puede llegar a ser muy complicado.

Solamente tengo un aporte que hacer y se refiere a este texto: “Muchos de estos neutrones son capturados e incorporados a los núcleos de los átomos ya presentes, convirtiéndolos en isótopos (núcleos con una cantidad de neutrones diferente a la habitual) de elementos más pesados.”

1. Los núcleos presentes YA son isótopos. Cualquier núcleo con un número determinado de protones es isótopo del elemento en cuestión. El bombardeo neutrónico los convierte en unos isótopos diferentes.
2. El término “habitual” es relativo, es necesario indicar el rango referenciado. Así, imagina el carbono-14 y su porcentaje sobre el total del carbono presente en la Tierra, en las estrellas tipo Sol, en nebulosas planetarias, en el universo, en las plantas vivas, en las ratas muertas hace 6000 años, etc.

¡Enhorabuena!

Miguel Santander

¡Muchísimas gracias César!

Tienes razón en ambos puntos, lo que ocurre es que como en el lenguaje llano los isótopos suelen entrar a colación sólo en relación al isótopo “natural” (el de la tabla periódica), no se me ocurría una manera de decir en dos palabras lo que es un isótopo de manera rigurosa y sin enmarañar demasiasado el discurso…

César

En la tabla periódica no hay isótopos sino elementos clasificados sólo por el número de protones, número atómico. Las proporciones isotópicas de un elemento sólo aparecen reflejadas en el peso atómico, que corresponde a una media ponderada de los pesos atómicos de los distintos isótopos. (No hay que confundir peso atómico con masa atómica, como hace de forma recurrente la Wikipedia en español.)

Así, el peso atómico del carbono es 12, 011 y no 12,00000 como debería ser por la definición de peso atómico, que se expresa empleando la doceava parte de la masa del carbono-12 como unidad. Y ello es así porque, si bien el carbono-12 es el mayoritario, existen en la naturaleza el carbono-13 y el carbono-14.

HermesHermes

“Las nebulosas planetarias; un equilibrio caotico que embellece el universo”.
No soy cientifico ,pero es una de las conclusiones que he sacado despues de leer este texto, lo volvere a leer , para afianzar conceptos, pero cuanto mas me ilustro sobre el universo , mas similitudes encuentro con el mundo celular, es curioso como lo mas grande se asemeja a lo mas pequeño. Esto es solo una interpretacion personal , pero es la percepcion que tengo del universo.Gracias por el articulo, lo encontrado muy esclarecedor y ameno.

Dani

¡Completísima entrada, Miguel!

Me has dejado con las ganas de aprender más. Fue todo un lujo poder escucharte de primera mano este fin de semana, y que me resolvieras algunas cuestiones que desconocía sobre las nebulosas relacionadas con los colores de las fotografías.

Gracias y ¡un saludo!

TonyTony

Magnífica entrada. No creo haber visto una explicación más clara que esta.

Me ha encantado :)

MarcoMarco

@Paco Bellido hola, si yo quiero iniciarme en la observacion espacial, ¿qué equipo necesito? o conoces alguna guia para comenzar… siempre he querido ver en persona las galaxias y nebulosas, y no solo en un pedacito de papel, me parece un gran pasatiempo

Paco Bellido

Lo mejor es que te pongas en contacto con la Agrupación Astronómica más cercana a tu localidad. Ellos podrán aconsejarte el telescopio que mejor se adapte a tus necesidades.

ManuelManuel

Coincido en los aplausos de los asistentes. Me ha gustado sobre todo la parte de los neutrones solteros :-D

Sólo quisiera preguntarte una cosa. Cuando el núcleo se contamina de hierro es verdad que cualquier reacción de fusión necesita energía (es endotérmica) y por tanto no puede sostener la gravedad.

Pero otra cosa muy distinta es que tales reacciones NO se produzcan. La estrella implosiona y calienta el núcleo. Si la temperatura es suficiente deberían producirse reacciones de fusión hacia elementos más pesados que el hierro, aunque sean endotérmicas (habría que calcular la energía libre de las distintas reacciones posibles para ver si son viables). Sin embargo tú sólo citas el baile de neutrones como generador de elementos transférricos.

¿Me puedes confirmar si se producen también esas reacciones de fusión hacia elementos más pesados que el hierro?

Miguel Santander

No te lo puedo confirmar, me temo :). No lo digo en la entrada por simplificar, pero los modelos de colapso del núcleo son muy complejos y no parece que de momento den cuenta de toda la física del asunto. Y por otro lado, además de la energía que tendrían que pagar, está la repulsión culombiana de los protones que tienes que fusionar, que crece con el número atómico, o sea más difícil cuanto más pesado sea el elemento (los neutrones se saltan esta repulsión a la torera)

Lo que sí que está claro es que de formarse algún elemento más pesado por fusión, sería una cantidad absolutamente ridícula en comparación con la obtenida mediante captura de neutrones. ¡Espero que eso te sirva!

DarkSapiens

Magnífica entrada, Miguel! Yo también pude escuchar parte de una explicación sobre este tema “en vivo” este fin de semana, jejeje… :)

Saludos!

Miguel Santander

¡Muchas gracias a todos por los comentarios!

@Dani, ¡son todas falsas, no te fíes! ;) Un lujo para mí también haberte conocido

@DarkSapiens se agradece, y lo mismo, un placer habernos desvirtualizado.

Luis Luna

Bravo que este tipo de entradas nos apasiona a los que no somos físicos, interesante es la ciencia y comprobado queda tanto por estas letras que emocionan a propios y extraños como por las jornadas recientes de Bilbao, salu2 y éxitos

Carlos Reyes

Excelente entrada Miguel, innegablemente que las nebulosas son los reactores de la sìntesis estelar de los metales pesados, ya sea por uno o por otro mètodo de generaciòn.

LLorTLLorT

La ultima reflexión me hizo recordar de la siguiente frase: “So forget Jesus. The stars died so you could be here today” (www.youtube.com/watch?v=VFMmzKDonRY)

RubénRubén

Maravilloso es poco. Una entrada muy didáctica y bien redactada, ya que expone de una forma muy simple temas bastante complejos. Mi enhorabuena!

¡Ah! Y reconozco que soy un enamorado de “Los Pilares de la Creación” de la nebulosa del Águila. Es la imagen más bella que he visto.

Dani

Uy, me había olvidado comentar. Maravillosa entrada, Miguel. Casi todo el mundo se olvida de las nebulosas planetarias cuando habla de la génesis de “metales”.

ANDRÉSANDRÉS

Soy un jubilado que pretende comprender algo de astrofísica , y créeme lo pude comprender totalmente. Desde hace un tiempo me invade siempre una pregunta; cuando se dice que en la formación del universo inmediatamente después del big bang existió la misma cantidad de materia y anti materia y ahora prevalece la primera.Para desasnarme : no es posible que la anti materia abite en los agujeros negros y el equilibrio persista.

Miguel Santander

Muchas gracias, Andrés. Por lo que yo tengo entendido (que tampoco es mucho), tras el Big Bang se formó una cantidad similar de materia y antimateria, pero no exactamente la misma. Así, toda la antimateria terminó combinándose con la misma cantidad de materia normal y se aniquiló, quedando tan sólo el excedente de materia normal, que es lo que tenemos hoy en día.

Sobre la antimateria en los agujeros negros, tampoco soy experto en el tema, pero no creo que la antimateria pudiera persistir tras atravesar el horizonte de sucesos, pues se encontraría la materia normal en el interior del agujero y se aniquilaría con ella.

juanjuan

¿Entonces es en gigantes rojas que acaban siendo enanas blancas, donde tambien se forman esos elementos pesados?
y ¿como se sabe que tras el Big bang no existían ya elementos pesados? , ¿no se pudieron formar debido a las enormes presiones y temperaturas previas a la gran explosión?
saludos!

Miguel Santander

Hola Juan,

sí, la síntesis de elementos más pesados que el hierro también tiene lugar en las gigantes rojas que acaban como enanas blancas, aunque siempre hay que mantener la perspectiva: ocurre en una proporción ínfima en comparación con las cantidades fabricadas en el colapso de estrellas muy masivas que mueren como supernova.

Respecto al Big Bang, las temperaturas y presiones que había justo tras el estallido eran tan grandes, ¡que ni siquiera era posible la existencia de átomos! Primero se crearon los quarks, y sólo cuando el Universo se enfrío lo suficiente (al final del primer minuto), se agregaron de tres en tres y formaron núcleos de átomos, prácticamente todos de hidrógeno y helio, salvo cantidades ínfimas de elementos más pesados.

Explicación algo chapucera: piensa que para crear elementos más pesados te hace falta reunir muchos núcleos de elementos más ligeros, y esa no era la situación tras la explosión, pues los átomos se alejaban unos de otros y era difícil reunir a los suficientes, cosa que ocurrió cuando finalmente surgieron las primeras estrellas, muchos millones de años después…

juanjuan

Chapucera o no(pienso que no) la explicación me sirve!
muchas gracias, por tu tiempo!
saludos!

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Información Bitacoras.com…

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