Origen estelar de los elementos.

Según muestran las observaciones en diversos campos astrofísicos, el Universo nació hace unos 14,000 millones de años (MA).

En las condiciones del llamado Big Bang , toda la materia y energía existía en forma de una bola de fuego caliente y densa que contenía solo las llamadas partículas elementales.

Existen tres pilares en los que se sostiene a la teoría de la gran explosión:

-La expansion del Universo.
-La radiación de fondo.
-La abundancia de los elementos ligeros.


1. La expansión del Universo.

Hubble descubrió, en los años treintas, que las lineas espectrales de la gran mayoría de las galaxias aparecen corridas hacia el rojo, y que este corrimiento era aun mayor entre mas alejada de nosotros se encuentre esa galaxia. Se llego a esta ultima afirmación, debido a que cualquier objeto que se aleje de un observador y que emita ondas (como la luz), las ondas que emite seran de mayor magnitud para el observador.

Este corrimiento al rojo puede explicarse por el efecto Doppler, e implica que la mayoría de las galaxias se están alejando de la nuestra y que las mas distantes se alejan mas rápidamente.
Fácilmente esto puede ejemplificarse con un globo inflándose, en un punto del globo se encuentra nuestra galaxia, en la cual todo lo demás esta alejándose de nosotros, sin embargo en cualquier otro punto del globo veríamos exactamente lo mismo.

Entonces, si las galaxias están alejándose unas de otras, puede deducirse que en el pasado estuvieron mas cercanas entre si.


2. Radiación de fondo.

Un segundo después de que empezó la expansión, la temperatura del Universo era del orden de diez mil millones de grados kelvin y la densidad del orden de cien mil gramos por centímetro cubico.
El Universo se encontraba formado por fotones, protones, neutrinos, positrones, electrones y neutrones.

Cuando el Universo se expandió aun mas, comenzó a enfriarse y la radiación electromagnética (generada por los fotones) disminuye, porque depende directamente de la temperatura.
Es entonces cuando los electrones pudieron asociarse con los núcleos para formar los primeros átomos estables; desencadenando que no todos los fotones fueran emitidos y absorbidos por los electrones, sino que algunos ya pudieron viajar libremente sin ser absorbidos por estos, por lo que el Universo dejo de ser opaco.

Fue así como la materia y la radiación siguieron enfriándose por separado.

De acuerdo con lo que sabe de la radiación de cuerpo negro, la radiación correspondiente estaba en la zona de los rayos ultravioleta, pero debido a la expansión del Universo la longitud de onda de estas radiaciones también se hicieron mas grandes, ahora encontrándose en la región de ondas de radio.

Fue por eso que en 1965 Penzias y Wilson dirigieron su antena de radiofrecuencias hacia diferentes partes del espacio exterior detectaron radiación de muy baja energía en la zona del espectro de las microondas (de radio) que provenían de cualquier región a la que apuntaran.

Esta radiación se ha interpretado como el eco que quedo de la gran explosión.


3. Formación de los elementos ligeros.

Es en esta ultima evidencia en la que profundizaremos un poco mas.

-Nucleosíntesis Primigenia.

Fue un segundo después de la gran explosión, cuando la temperatura descendió a 10^10 K. En estas condiciones, ya se encontraban fotones, positrones, neutrinos, antineutrinos, protones, neutrones y electrones. A pesar de existir la partículas que forman los átomos, no era posible a estas temperaturas que pudieran juntarse para formarlos.

Los neutrones libres, se desintegraban transformandose en protones.

n -------------> p+ + e- + (energía)

A esta temperatura, muchas de las partículas nombradas se encontraban en equilibrio, reconvirtiéndose unas a otras.

Pero al descender la temperatura, los protones y neutrones empezaron a fusionarse para dar origen a los nucleos de deuterio (2H), que en estas condiciones era muy inestables y se desintegraba casi al mismo instante en el que se formaba.
Después, cuando el Universo se enfrió aun mas, se favoreció la fusión de núcleos ligeros para dar núcleos mas pesados.
Los procesos siguientes fueron los que se llevaron a cabo:

p+ + n -----------> 2H + (energía)

2H +2H -----------> 3H + p+

2H + 2H -----------> 3He + n

3He + n -----------> 4He + (energía)

3H + p+ -----------> 4He + (energía)

4He + 3H -----------> 7Be

7Be + e- -----------> 7Li + (energía)

Casi todo el 7Li que se conoce hoy en el Universo provino de esta reacción (los núcleos 5 y 8 no se formaron por ser inestables).

Finalizando la nucleosíntesis primigenia, tenemos como resultado la aparición de los núcleos de hidrógeno (1H) y el helio (4He), en proporción 12 a 1, conformando casi el 100% de los núcleos formados, quedando en mucha menor proporción 2H, 3He, 7Li y muy poco de 7Be.

La materia quedo en un estado de plasma que contenía a los núcleos que se habían formado


-Nucleosíntesis estelar.

El Universo continuo expandiéndose y enfriándose, hasta que en las regiones mas frías se formaron nubes a partir de átomos de hidrógeno y helio, que se acumularon debido a su propia atracción gravitacional.
Ya que la acumulación fue lo suficientemente grande, su propia gravedad lo hizo alcanzar elevadas presiones y temperaturas, en las cuales puede llevarse a cabo la fusión de cuatro protones para formar helio con un gran desprendimiento de energía.

Existen varios mecanismos para llevar a cabo la formación de helio en las estrellas, la principal de estas siendo la reacción de cadena protón-protón PP.
 (secuencia principal)




Durante los primeros minutos después del gran estallido , la temperatura todavía era muy elevada y las partículas elementales pululaban en un inmenso océano de radiación a temperaturas superiores a 10,000,000,000 K. Los neutrones (1n) y los protones (núcleos de hidrógeno, 1H) existían en equilibrio entre sí, siguiendo las siguientes reacciones:

El Origen del Sistema Solar, Pág. 54

La combinación de un neutrón y un protón para formar deuterio (hidrógeno pesado, 2H) fue el primer paso en la síntesis de núcleos atómicos de mas complejidad.
Esto tuvo lugar cuando la temperatura disminuyo lo suficiente, ya que a latas temperaturas el deuterio es inestable y se desintegra con facilidad.

Al continuar la expansión, el Universo disminuyo progresivamente su temperatura, haciendo posibles las reacciones nucleares.
Estas reacciones agruparon las partículas elementales y formaron los primeros núcleos atómicos.


A partir de los tres primeros minutos se produjeron una serie de reacciones encadenadas que hicieron posible la aparición de diversos elementos químicos.

El Origen del Sistema Solar, Pág. 55

Inmensas cantidades de hidrógeno y helio se generaron entonces en lo que se llama nucleosíntesis primordial.

En esta etapa también podrían haberse formado ínfimas cantidades de litio y berilio, aunque muchos sugieren la abundancia absoluta de hidrógeno y helio.
Lo que si sabemos es que la formación de núcleos mas pesados que 7Li durante esta nucleosíntesis fue impedida por la inestabilidad inherente a núcleos con masas atómicas A=5 u 8.

Esto nos indica que el resto de elementos químicos que encontramos e nuestro entorno actual se formaron después.



Bibliografía:

-Trigo I. Rodríguez, Josep María. El Origen del Sistema Solar. Editorial Complutense. 2001. Páginas:54,55.

Resumido por Sandra A.A.R.