Elementos en las estrellas

El universo conocido contiene, aproximadamente, un 76 % de hidrógeno, un 23 % de helio y un 1 % del resto de elementos conocidos. Como estudiante de química, hace algunos añitos ya …, una de las cosas que más me impactaron fue el descubrir que todos los elementos químicos se han producido en las estrellas. Que, como dijo Carl Sagan, somos materia estelar. Piénsalo, los átomos de oxígeno en tus manos, de azufre en tu pelo o de carbono en tus ojos se produjeron, hace millones de años, en alguna estrella lejana, si eso no te deja con la boca abierta…vuelve a leerlo. En este sentido, todos los elementos conocidos, al menos hasta el uranio, podrían entrar en este primer capítulo titulado “elementos en las estrellas”, pero nos limitaremos a aquellos más relevantes en la composición de las estrellas. Tendremos, en las siguientes semanas, otros capítulos dedicados a otros elementos químicos.

Si nos centramos en los elementos químicos y su producción en el universo hay que empezar por el hidrógeno (H), helio (He) y litio (Li). Estos tres elementos son los que se produjeron en primer lugar, en los primeros minutos del Big Bang.

elementos en las estrellas

Figura 1. La fábrica de elementos de nuestro sistema solar, también conocida como el sol.

H. Hidrógeno

El hidrógeno, cuyo nombre significa generador de agua, es el más sencillo de los elementos químicos, formado por un protón en el núcleo y un electrón. Este átomo es vital para la vida, por muchos motivos, pero el primero seguramente por el hecho de seguir siendo el combustible de las estrellas. En una estrella como nuestro sol, la densidad y temperatura en el núcleo es tal que los átomos de H se fusionan para formar el siguiente elemento en la tabla periódica, el helio-4 (a través de un proceso que implica otros átomos tales como deuterio o helio-3). Esta fusión, que forma uno de los átomos más estables que existen, desprende cantidades enormes de energía y radiación. Nuestra estrella convierte, mediante este proceso de fusión, alrededor de ¡600 millones de toneladas por segundo de hidrógeno!. A pesar de esas cantidades inimaginables, todavía no tenemos que preocuparnos porque nos quedemos sin «gasolina» ya que se estima que nuestra estrella tiene combustible suficiente para otros 10.000 millones de años. Por lo que se refiere a la tierra, la molécula de hidrógeno (H2) es tan ligera que escapa de la gravedad terrestre, solo un planeta del tamaño de Júpiter tiene un tamaño suficiente como para evitar que se escape el hidrógeno. El hidrógeno se conocía bastante antes de comprender su naturaleza. Ya en 1671, Robert Boyle describía la formación de unos «humos» muy inflamables al mezclar hierro y ácido clorhídrico. A pesar de esto el descubridor oficial del hidrogeno molecular (H2) es Henry Cavendish. Este mismo investigador fue el primero en demostrar que al quemar H2 se producía agua. De las diferentes aplicaciones del hidrógeno una de las más interesantes es su posible uso como fuente de energía limpia. Se trataría de un combustible obtenido a partir del agua y cuya combustión volvería a producir agua. Aunque todavía existen numerosos problemas que resolver para su uso masivo, como su almacenamiento, de resolverse podrían convertir a este gas en un serio competidor de los combustibles fósiles.

He.Helio

El siguiente elemento estelar es el helio. Su nombre procede del griego helios cuyo significado es «el sol». En la tabla periódica nos lo encontramos en segunda posición, su número atómico es 2, encabezando el grupo de los llamados «gases nobles», conocidos de esta forma por la escasa tendencia a formar compuestos (a mezclarse con otros) que tienen los átomos de este grupo. Aunque se han preparado algunos compuestos de He, como el VHe3+ o el HePtHe2+, se trata en general de «rarezas» muy inestables. Este elemento es, como hemos dicho, el segundo más abundante en el universo y uno de los tres que se produjeron en los minutos iniciales tras el Big Bang. Además, tiene el honor de haber sido descubierto en el sol antes de que se encontrara presente en la tierra. El He fue descubierto durante el eclipse solar de 1868 de forma independiente por el astrónomo francés Pierre Janssen y el astrónomo inglés Norman Lockyer. En nuestro planeta fue descubierto, de forma accidental, por una compañía petrolera en 1903. Otro aspecto importante en el que el helio está implicado es en la formación de otros elementos, especialmente el carbono, básico para cualquier forma de vida conocida, a través de la fusión de tres átomos de helio. La relevancia del He va más allá de su papel como producto de la fusión del hidrógeno. Por ejemplo, es un elemento fundamental en medicina como refrigerante de los imanes utilizados en la técnica de imagen por resonancia magnética.

Li. Litio

El litio, del griego lithos (piedra) fue descubierto en 1817 por Johan August Arfvedson, en Suecia. Aunque, como decíamos, es uno de los tres elementos producidos tras el Big Bang, es un elemento «raro» en el universo. Cuando el interior de una estrella alcanza los 2.4 millones de grados el Li se transforma en dos átomos de He. Este hecho es empleado por los astrónomos para distinguir cuando una estrella es una enana roja o una enana marrón. Mientras en las primeras la temperatura es suficientemente alta para destruir el Li, no lo es en las segundas. La importancia del Li va mucho más allá de su origen estelar. Es bien sabido el papel, cada vez más importante, de las baterías de Li, lo que convierte a este metal y el mineral del que normalmente se obtiene, la espodumena (LiAlSi2O6), en un recurso muy importante desde el punto de vista económico. La importancia de este uso ha valido, este año, la concesión del premio Nobel a los precursores de esta tecnología, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino. Otro uso, muy destacable, del Li y de algunas de sus sales  es su empleo como tratamiento de enfermedades mentales. Gracias al trabajo inicial del doctor australiano John Cade, el uso del carbonato de litio se generalizó para el tratamiento de patologías como la depresión. A pesar de su uso, a día de hoy, no está del todo claro el mecanismo por el cual funciona.

elementos

Figura 2. Esquema de la composición de una estrella al final de su vida. Fuente: NASA. https://helios.gsfc.nasa.gov/onion.html

¿Y qué hay del resto de elementos de la tabla periódica? Cuando una estrella, como nuestro sol, agota todo el combustible de H empieza a «quemar» He para ir produciendo elementos más pesados; carbono (C), oxígeno (O), hasta llegar al hierro (Fe) y el niquel (Ni). El proceso hasta estos elementos produce energía. Como se puede ver en la figura 2, al final de su vida útil las estrellas presentan una estructura tipo cebolla, diferentes capas ricas en distintos elementos, con los más ligeros en la superficie (H, He) y los más pesados en núcleo (Fe y Ni).

Para producir elementos más pesados se necesita aportar energía al sistema. Se piensa que dicha fuente de energía, que permite formar átomos con número atómico mayor de 28, se debe a la explosión de supernovas. Este tipo de explosiones, las mayores que se pueden observar, son las responsables de la producción de elementos como el oro (Au) o la plata (Ag), así hasta el elemento más pesado que se encuentra en la naturaleza, el uranio (U).

Esperamos que este breve artículo os haga apreciar aún más las estrellas que vemos por la noche, no solo son fuente vida por su radiación, son literalmente los «hornos» en los que se produce la materia de la que esta hecha la vida, de la que estamos hechos todos.

Referencias.

Nature’s Building Blocks. John Emsley

https://helios.gsfc.nasa.gov/nucleo.html

 

By | 2019-11-25T13:19:13+00:00 noviembre 25th, 2019|Colecciones, Dciencia Química, Divulgación, portada, Temas|2 Comments

About the Author:

Fernando Herranz
Licenciado en Química Orgánica por la Universidad Complutense de Madrid y Doctor en Química Bioorgánica por la UNED. En mi etapa postdoctoral comencé a trabajar en Nanotecnología durante mis estancias en el Imperial College London y la Universidad Complutense. A continuación, me incorporé al Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares donde trabajé durante siete años en proyectos de imagen molecular cardiovascular y nanomedicina. En 2018 me incorporé al Instituto de Química Médica del CSIC como Investigador Distinguido. Mi investigación se centra en la combinación de la Química y la Nanomedicina. En concreto mi grupo trabaja en tres líneas: 1- El desarrollo de nanopartículas para el diagnóstico por imagen molecular de enfermedades cardiovasculares y pulmonares, especialmente la aterosclerosis y la hipertensión pulmonar; 2- Desarrollo de kits de diagnóstico in vitro (point-of-care) para el diagnóstico precoz de distintas patologías; 3- Desarrollo de nanopartículas para el tratamiento de infecciones causadas por bacterias multirresistentes.

2 Comments

  1. Avatar
    Gian 2019/11/28 at 2:52 am - Reply

    Un muy buen post sobre las estrellas,muy detallado y bien redactado, me ayudara mucho en posibles trabajos, gracias.

    • Alberto Morán
      Alberto Morán 2019/11/28 at 10:49 am - Reply

      Muchas gracias. Un saludo

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