El surgimiento de la materia
Desde el principio hasta el fin del Universo: El surgimiento de la materia.
Por Christopher Conselice.
Traducción y comentarios: Jesús A. Guerrero O. ALDA.
11 de enero de 2021.
El Universo forjó los primeros elementos a los pocos minutos de su nacimiento a través del proceso de nucleosíntesis del Big Bang. Crédito: Astronomía: Roen Kelly.
Hace casi 2.500 años, el filósofo griego Demócrito propuso por primera vez que los objetos estaban hechos de innumerables bloques de construcción indivisibles llamados átomos. Sin embargo, no fue hasta hace unos 200 años, con el trabajo del químico y físico inglés John Dalton, que se desarrolló la idea moderna de los átomos.
Luego vino el desafío de aprender a identificar y distinguir entre los diversos tipos de átomos. Durante el siglo XIX, los avances en la espectroscopia, que estudian la luz descomponiéndola en sus componentes constituyentes, permitieron a los científicos descubrir que los elementos y moléculas específicos tienen firmas espectrales distintas. Estas firmas se revelan a través de combinaciones únicas de líneas de emisión y absorción (luz extra y luz faltante, respectivamente) para cada elemento. Y a mediados del siglo XIX, poco después de que los investigadores comenzaran a clasificar los elementos que se encuentran comúnmente en la Tierra, los astrónomos comenzaron a equipar sus telescopios con una mira espectroscópica para saber de qué está hecho realmente el Universo.
Uno de los objetivos celestes obvios para los primeros espectroscopios fue el Sol. Cuando los astrónomos observaron nuestra estrella durante un eclipse solar, con la Luna bloqueando la mayor parte de su luz abrumadora, encontraron una línea espectral misteriosa que no correspondía a ningún elemento conocido en la Tierra. La sustancia se denominó helio, que viene de la palabra griega Helios, que significa Sol.
Los primeros objetivos espectroscópicos también incluían estrellas y nebulosas planetarias, pero finalmente, los astrónomos expandieron sus miras para incluir todos los objetos astronómicos. Hoy en día, sabemos por el estudio de objetivos del cielo profundo (y, por lo tanto, distantes) que algunos elementos comunes que se encuentran en la Tierra han existido durante casi la totalidad de la vida del cosmos, creados en los primeros minutos del Universo a través del proceso de la Nucleosíntesis del Big Bang (BBN).
Durante 380.000 años, el cosmos se enfrió lo suficiente como para que el hidrógeno ionizado capturara electrones y se volviera neutral, liberando fotones y dejando su marca como un mapa de todo el cielo: el fondo cósmico de microondas (CMB). Crédito: Astronomía: Roen Kelly.
Orígenes elementales.
Sin embargo, el Universo no creó todos los elementos al mismo tiempo. Y cada uno tiene múltiples vías de formación. Si retrocedemos hasta los primeros momentos del Universo, encontramos que estaba dominado por los bloques de construcción atómicos más pequeños: quarks, electrones y otras partículas fundamentales. Solo más tarde, unas millonésimas de segundo después de su nacimiento, el Universo formó protones (hidrógeno) y neutrones a medida que se expandía y enfriaba rápidamente.
Poco después de que se formara el primer hidrógeno, un par de elementos más pesados rápidamente siguieron su ejemplo. Pero este proceso de BBN no se inició realmente hasta que el Universo alcanzó una edad de solo 10 segundos. Y solo duró hasta 20 minutos.
Sorprendentemente, la densidad del Universo en este momento era increíblemente baja, unas 100.000 veces menos densa que el agua líquida. Sin embargo, si ese es el caso, ¿por qué no vemos que la nucleosíntesis ocurre en la Tierra, donde las densidades son mucho más altas? La respuesta es que la temperatura en ese momento de BBN era de alrededor de mil millones de grados Kelvin (poco menos de mil millones de grados Celsius). Por lo tanto, los primeros átomos de hidrógeno giraban tan rápido que frecuentemente chocaban con una gran energía, lo que les permitía fusionarse en átomos aún más pesados como el helio.
En los primeros 20 minutos del Universo, creó la mayor parte del helio que existe en la actualidad, así como el deuterio (hidrógeno pesado) y una pequeña cantidad de litio. Durante ese mismo período de tiempo, la temperatura ambiente del Universo bajó de aproximadamente mil millones de kelvins a aproximadamente 10 millones de kelvins, que es aproximadamente la temperatura que se encuentra en los núcleos de las estrellas, donde la nucleosíntesis estelar todavía ocurre hasta el día de hoy. Entonces, una vez que el Universo se enfrió lo suficiente, BBN dejó de producir los elementos más tempranos y ligeros.
No obstante, esta época temprana vio tanto helio creado que el elemento terminó representando alrededor del 25 por ciento (en masa) de toda la materia en el Universo recién nacido. Pero los astrónomos quieren saber con precisión qué cantidad de cada elemento, particularmente helio y deuterio, se produjo durante la BBN. Eso es porque conocer estos valores exactos es clave para que los astrónomos confirmen y comprendan mejor la teoría generalmente aceptada de cómo el cosmos estalló en existencia: el Big Bang.
El tritio (con un núcleo "tritón") es una forma inestable de hidrógeno que puede actuar como un trampolín para formar helio normal. (Las ilustraciones están muy simplificadas para su mejor comprensión). Crédito: Astronomía: Roen Kelly.
Formando helio y litio.
El núcleo de un átomo de hidrógeno regular contiene un solo protón. Pero hay una versión más pesada, el deuterio, que también puede existir. El deuterio es un átomo de hidrógeno cuyo núcleo (un deuterón) contiene un protón más un neutrón. Entonces, aunque el deuterio tiene la misma carga que el hidrógeno normal, es aproximadamente el doble de masivo. El deuterio también es relativamente raro; en la Tierra, el hidrógeno normal es aproximadamente 7.000 veces más común que su hermano más pesado. Pero una vez que el deuterio está presente, puede continuar fomentando la producción de elementos más pesados como el helio.
Hay más de una forma de crear helio. En el sentido más básico, un deuterón y un neutrón pueden unirse para crear tritio. Luego, agregando otro protón a la mezcla, se obtiene un átomo estable de helio-4. Alternativamente, un deuterón y un protón pueden emparejarse para crear una versión "ligera" de helio llamada helio-3, que tiene dos protones y un neutrón. Con la adición de otro neutrón, obtienes helio-4.
La nucleosíntesis del Big Bang también creó una versión "ligera" del helio, que abre un camino alternativo para producir helio normal. Crédito: Astronomía: Roen Kelly.
Sin embargo, el elemento más pesado producido durante la BBN fue el litio-7, que, con tres protones y cuatro neutrones, sigue al helio en la tabla periódica. Sin embargo, el Universo primitivo no formó elementos más pesados que el litio. Aquellos fueron creados más tarde en los núcleos de estrellas en evolución.
Uno de los mayores éxitos de la teoría del Big Bang es que la abundancia observada de helio es consistente con lo que predice. El proceso de nucleosíntesis despegó cuando el Universo era lo suficientemente denso y caliente como para unir protones y neutrones en núcleos atómicos ligeros. Pero si el cosmos infantil hubiera estado más densamente lleno de materia, entonces la nucleosíntesis podría haberse acelerado, quizás formando elementos aún más pesados.
De manera similar, si la tasa de expansión del Universo temprano fuera más lenta de lo que predice la teoría, entonces habría permanecido en un estado denso durante un período de tiempo más largo, produciendo más elementos ligeros. Si cualquiera de estas cosas, densidad o expansión de la materia, fuera diferente de lo que dice la teoría del Big Bang, observaríamos más helio del que vemos hoy. En otras palabras: el helio primordial actúa como una de las muchas firmas que certifican el certificado de nacimiento del cosmos.
El elemento más pesado producido en masa durante la nucleosíntesis del Big Bang fue el litio, que tiene cuatro neutrones y tres protones. Crédito: Astronomía: Roen Kelly.
Confirmando nuestra creación.
Es increíble que los cosmólogos puedan calcular la abundancia específica de elementos producidos durante la BBN y luego comparar esas predicciones directamente con los datos. Pero, por supuesto, uno tiene que preguntarse si nuestros datos realmente capturan una instantánea prístina de la abundancia intacta de elementos que existieron poco después del Big Bang. La nucleosíntesis estelar seguramente conduce a cierta contaminación, pero exactamente cuánto sigue siendo una pregunta abierta y urgente.
Afortunadamente, los astrónomos pueden medir mediante observación la abundancia de elementos importantes de diversas formas. El más determinista es buscar deuterio y helio. Esto se hace a menudo examinando su prevalencia en grandes bolsas de gas en reposo alrededor de los cuásares, cuyas composiciones elementales se revelan a través de líneas de absorción en sus espectros. Debido a que estas nubes de gas están en gran parte desprovistas de estrellas, se espera que hayan experimentado muy poca evolución estelar. Son reliquias cósmicas antiguas y relativamente prístinas. Y al medir la abundancia de deuterio y helio en estas nubes, los astrónomos encuentran que se alinean con lo que predice la teoría del Big Bang.
Esto se ve en gran medida como una maravillosa confirmación de la historia del origen de nuestro Universo, así como de todo el proceso de nucleosíntesis del Big Bang. Pero también es un ejemplo fantástico de cómo la astronomía permite a los científicos sondear los primeros momentos del Universo, durante el breve período de tiempo en que se forjó la primera materia.
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