El Big Bang: ¿Creador del Universo?

¿Sabremos algún día, como son las cosas?

Lo que sucede primero, no es necesariamente el principio. Antes del “principio”, de ese principio que nosotros llamamos Big Bang, tuvieron que suceder muchas cosas que, de momento, no hemos podido llegar a conocer, nos topamos con la oscuridad del Tiempo de Planck, esa infinitesimal fracción en la que, según parece, debieron ocurrir muchas cosas que desconocemos y que, pudiera ser, el verdadero principio de todo.

Siguiendo la estela que dejan las invariancias gauge, gracias a la importante aportación iniciada en 1954 por los trabajos de Yang y Mills, ya se ha conseguido la primera gran unificación, la de la fuerza electrodébil ( electromagnética + débil) que mereció en 1979 el Premio Nobel de Física para sus autores, Glashow, Salam y Eeinberg. Aunque el camino no se encuentra, ni mucho menos, libre de formidables obstáculos, sabemos que las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza están regidas por este tipo de invariancias. que relacionan las fuerzas con la propia geometría de la materia-espacio-tiempo, tal como aspiraba Hermann Weyl . En su libro : “Tiempo, espacio,materia” ( 1922), comentaba con emoción: “… Han llegado a nuestro oído algunos acordes vigorosos de aquella armonía de las esferas con que soñaban Pitágoras y Kepler.” Hay cosas que no cambian nunca, si nos detenemos a recordarlas te puede apetecer hablar de ellas. Hace tiempo, los sucesos que constituían historias eran las irregularidades de la experiencia: lo inesperado, lo catastrófico y lo ominoso.

Como se trata de una Ciencia que estudia la naturaleza Física del Universo y de los objetos contenidos en él, fundamentalmente estrellas, galaxias y la composición del espacio entre ellas, así como las consecuencias de las interacciones y transformaciones que en el Cosmos se producen, aquí dejamos una breve secuencia de hechos que, suceden sin cesar en el ámbito del Universo y, gracias a los cuales, existe la Tierra…y, nosotros.

La evolución cósmica de los elementos nos lleva a la formación de los núcleos atómicos simples en el Big Bang y a una posterios fusión de estos núcleos ligeros para formar otros más pesados y complejos en en el interior de las estrellas, para finalizar el ciclo en las explosiones supernovas donde se plasman aquellos elementos finales de la Tabla Periódica, los más complejos y pesados.

Hay procesos en el Universo que, si pudiera ser posible contemplarlos en directo, serían dignos del mayor asombro. Por ejemplo, a mí me maravilló comprender como se podía formar Carbono en las estrella y, de cómo éstas se valían del llamado “Efecto Triple Alfa” para conseguirlo.

La fusión en el centro de las estrella se logra cuando la densidad y temperatura son suficientemente altas. Existen varios ciclos de fusión que ocurren en diferentes fases de la vida de una estrella. Estos diferentes ciclos forman los diferentes elementos que conocemos. El primer ciclo de fusión es la fusión del Hidrógeno  hacia Helio. Esta es la fase en la que se encuentra nuestro Sol.

En las estrellas con temperaturas muy altas ocurren otros ciclos de fusiones (ciclos CNO ). A temperaturas aún más altas , el helio que se quema produce Carbono. Finalmente, a temperaturas extremadamente altas se forman los elementos más pesados como el Hierro.

Las reacciones internas que ocurren en las estrellas forman a los neutrinos que llegan a la Tierra. Al detectar estos neutrinos, los científicos pueden aprender sobre las fusiones internas en las estrellas. En el proceso de fusión nuclear denominado reacción Protón-Protón las partículas intervinientes son el protón (carga positiva), el neutrón (carga neutra), el positrón (carga positiva, antipartícula del electrón) y el neutrino.

En las explosiones supernovas que viene a ser el aspecto más brillante de estos sucesos de transformación de la materia, literalmente, es que la explosión de la estrella genera suficiente energía para sintetizar una enorme variedad de átomos más pesados que el hierro que es el límite donde se paran en la producción de elementos estrellas medianas como nuestro Sol.

Pero, en las estrellas masivas y supermasivas gigantes, con decenas de masas solares, cuando el núcleo de hierro se contrae emite un solo sonido estruendoso, y este retumbar final del gong envía una onda sonara hacia arriba a través del gas que entran, el resultado es el choque más violento del Universo.

La imagen es un zoom del centro de la galaxia M82, una de las más cercanas galaxias con estrellas explosivas a una distancia de sólo 12 millones de años luz. La imagen de la izquierda, tomada con el Telescopio Espacial Hubble (HST), muestra el cuerpo de la galaxia en azul y el gas hidrógeno expulsado por las estrellas explosivas del centro en rojo.

Más arriba decíamos que aquí está el choque más violento del Universo. En un momento se forjan en la ardiente región de colisión toneladas de oro, plata, mercurio, hierro y plomo, yodo, estaño y cobre. La detonación arroja las capas exteriores de la estrella al espacio interestelar, y la nube, con su valioso cargamento, se expande, deambula durante largo tiempo y se mezcla con las nubes interestelares circundantes.

El más conocido remanente estelar, la Nebulosa del Cangrejo cuyos filamentos nos hablan de complejos materiales que la explosión primaria formó hace ya mucho tiempo, y, que actualmente, sirve de estudio para saber sobre los procesos estelares en este tipo de sucesos. No todos saben que en su interior alberga un pulsar que abajo podemos ver.

El pulsar de la nebulosa del cangrejo, en rojo del Hubble

Antes dejámos una relación de materiales que pueden ser formados en las explosiones supernovas y, cuando se condensan estrellas nuevas a partir de esas nubes, sus planetas heredan los elementos forjados en estrellas anteriores y durante la explosión. La Tierra fue uno de esos planetas y éstos son los antepasados de los escudos de bronce y las espadas de acero con los que los hombres han luchado, y el oro y la plata por los que lucharon, y los clavos de hierro que los hombres del Capitán Cook negociaban por el afecto de las tahitianas.

                     En esta región, las estrellas parecen Joyas

La muerte de una estrella supergigante, regenera el espacio interestelar de materiales complejos que, más tarde, forjan estrellas nuevas y mundos ricos en toda clase de elementos que, si tienen suerte de caer en la zona habitable, proporcionará a los seres que allí puedan surgir, los materiales y elementos necesarios para el desarrollo de sus ideas mediante la construcción de máquinas y tecnologías que, de otra manera, no sería posible. Incluso, sin estos materiales, ni esos seres podrían surgir a la vida.

¿No os parece una maravilla? Comenzando con el Hidrógeno, Helio Berilio y Litio en el Big Bang, se continuó con el Carbono, Nitrógeno y Oxígeno en las estrellas de la secuencia principal, y, como más arriba explicaba, se continúa en las estrellas moribundas con el Sodio, Magnesio, Aluminio, Silicio, Azufre, Cloro, Argón, Potasio, Titanio, Hierro, Cobalto, Níquel, Cobre, Cinc…Uranio. ¡Que maravilla!

El Hubble ha captado en los cielos profundos las más extrañas y variadas imágenes de objetos que en el Cosmos puedan estar presentes, sin embargo, pocas tan bellas como las de nuestro planeta Tierra que, es tan rico y especial, gracias a esos procesos que antes hemos contado que ocurren en las estrellas, en las explosiones de supernovas y mediante la creación de esos materiales complejos entre los que se encuentran la química biológica para la vida.

Si a partir de las Nebulosas que se forman cuando las estrellas masivas llegan al final de sus vidas, pueden surgir planetas como la Tierra, y, si la Tierra contiene la riqueza de todos esos materiales forjados en las estrellas y en el corazón de esas inmensas explosiones, y, si el Universo está plagado de galaxias en las que, de manera periódica suceden esas explosiones, nos podríamos preguntar: ¿Cuántas “Tierras” podrán existir incluso en nuestra propia Galaxia? Y, ¿Cuántos seres pueden haberse formado a partir de esos materiales complejos forjados en las estrellas?

¡Qué gran secreto tiene el Universo! ¿Cómo se las arregla para crear, las precisas condiciones que dan lugar al surgir de la Vida?

Emilio Silvera Vázquez

  Los límites de las teorías actuales

¡La Física! Cuando se asocia a otras disciplinas ha dado siempre un resultado espectacular y, en el caso de la Astronomía, cuando se juntó con la Física, surgió esa otra disciplina que llamamos Astrofísica. La Astrofísica es esa nueva rama de la Astronomía que estudia los procesos físicos y químicos en los que intervienen los fenómenos astronómicos. La Astrofísica se ocupa de la estructura y evolución estelar (incluyendo la generación y transporte de energía en las estrellas), las propiedades del medio interestelar y sus interacciones en sus sistemas estelares y la estructura y dinámica de los sistemas de estrellas (como cúmulos y galaxias) y sistemas de galaxias. Se sigue con la Cosmología que estudia la naturaleza, el origen y la evolución del universo. Existen varias teorías sobre el origen y evolución del universo (big bang, teoría del estado estacionario, etc.

Las estrellas, como todo en el Universo, no son inmutables y, con el paso del Tiempo, cambian para convertirse en objetos diferentes de los que, en un principio eran. Por el largo trayecto de sus vidas, transforman los materiales simples en materiales complejos sobre los que se producen procesos biológico-químicos que, en algunos casos, pueden llegar hasta la vida.

Una de las cosas que siempre me han llamado poderosamente la atención, han sido las estrellas y las transformaciones que, dentro de ellas y los procesos que en su interior se procesan, dan lugar a las transiciones de materiales sencillos hacia materiales más complejos y, finalmente, cuando al final de sus vidas expulsan las capas exteriores al espacio interestelar dejando una extensa región del espacio interestelar sembrada de diversas sustancias que, siguiendo los procesos naturales e interacciones con todo lo que en el lugar está presente, da lugar a procesos químicos que transforman esas sustancias primeras en otras más complejas, sustancias orgánicas simples como, hidrocarburos y derivados que, finalmente, llegan a ser los materiales necesarios para que, mediante la química-biológica del espacio, den lugar a moléculas y sustancias que son las propicias para hacer posible el surgir de la vida.

La Química de los Carbohidratos es una parte de la Química Orgánica que ha tenido cierta entidad propia desde los comienzos del siglo XX, probablemente debido a la importancia química, biológica (inicialmente como sustancias de reserva energética) e industrial (industrias alimentaria y del papel) de estas sustancias. Ya muy avanzada la segunda mitad del siglo XX han ocurrido dos hechos que han potenciado a la Química de Carbohidratos como una de las áreas con más desarrollo dentro de la Química Orgánica actual.

Todos los animales, plantas y microbios están compuestos fundamentalmente, por las denominadas sustancias orgánicas. Sin ellas, la vida no tiene explicación (al menos que sepamos). De esta manera, en el primer período del origen de la vida tuvieron que formarse dichas sustancias, o sea, surgimiento de la materia prima que más tarde serviría para la formación de los seres vivos.

La característica principal que diferencia a las sustancias orgánicas de las inorgánicas, es que en el contenido de las primeras se encuentra como elemento fundamental el Carbono.

En las sustancias orgánicas, el carbono se combina con otros elementos: hidrógeno y oxígeno (ambos elementos juntos forman agua), nitrógeno (este se encuentra en grandes cantidades en el aire, azufre, fósforo, etc. Las distintas sustancias orgánicas no son más que las diferentes combinaciones de los elementos mencionados, pero en todas ellas, como elemento básico, siempre está el Carbono.

En el primer nivel (abajo) están los productores, o sea las plantas como maíz, frijol, papaya, cupesí, mora, yuca, árboles, hierbas, lianas, etc., que producen hojas, frutas, raíces, semillas, que comen varios animales y la gente.

En el segundo nivel están los primeros consumidores, que comen hierbas, hojas (herbívoros) y frutas (frugívoros). Estos primeros consumidores incluyen a insectos como hormigas, aves como loros y mamíferos como ratones, urina, chanchos, chivas, vacas.

En el tercer nivel están los segundos consumidores (carnívoros), es decir los que se comen a los animales del segundo nivel: por ejemplo el oso bandera come hormigas, el jausi come insectos y la culebra come ratones.

Nosotros, los humanos, somos omnívoros, es decir comemos de todo: plantas y animales. Algunos de los carnívoros comen, a veces, plantas también, como los perros. Otros, como el chancho, comen muchas plantas y a veces también carne.

Las sustancias orgánicas más sencillas y elementales son los llamados hidrocarburos o composiciones donde se combinan el Oxígeno y el Hidrógeno. El petróleo natural y otros derivados suyos, como la gasolina, el keroseno, etc., son mezcolanzas de varios hidrocarburos. Con todas estas sustancias como base, los químicos obtienen sin problemas, por síntesis, gran cantidad de combinados orgánicos, en ocasiones muy complejos y otras veces iguales a los que tomamos directamente los seres vivos, como azúcares, grasas, aceites esenciales y otros. Debemos preguntarnos como llegaron a formarse en nuestro planeta las sustancias orgánicas.

Está claro que, para los iniciados en estos temas, la cosa puede parecer de una complejidad inalcanzable, nada menos que llegar a comprender ¡el origen primario de las sustancias orgánicas!

Es nuestro planeta y el único habitado (hasta donde podemos saber). Está en la ecosfera, un espacio que rodea al Sol y que tiene las condiciones necesarias para que exista vida. Claro que, ¡son tantos los mundos! Cómo vamos a ser nosotros nos únicos que poblemos el Universo? ¡Que desperdicio de espacio!

La observación directa de la Naturaleza que nos rodea nos puede facilitar las respuestas que necesitamos. En realidad, si ahora comprobamos todas las sustancias orgánicas propias de nuestro mundo en relación a los seres vivos podemos ver que, todas, son producidas hoy día en la Tierra por efecto de la función activa y vital de los organismos.

Las plantas verdes absorben el carbono inorgánico del aire, en calidad de anhídrido carbónico, y con la energía de la luz crean, a partir de éste, sustancias orgánicas necesarias para ellas. Los animales, los hongos, también las bacterias y el resto de organismos, menos los de color verde, se alimentan de animales o vegetales vivos o descomponiendo estos mismos, una vez muertos, pueden proveerse de las sustancias orgánicas que necesitan. Con esto, podemos ver como todo el mundo actual de los seres vivos depende de los dos hechos análogos de fotosíntesis y quimiosíntesis, aplicados en las líneas anteriores.

Incluso las sustancias orgánicas que se encuentran bajo tierra como la turba, la hulla o el petróleo, han surgido, básicamente, por efecto de la acción de diferentes organismos que en un tiempo remoto se encontraban en el planeta Tierra y que con el transcurrir de los siglos quedaron ocultos bajo la maciza corteza terrestre.

Todo esto fue causa de que muchos científicos de finales del siglo XIX y principios del XX, afirmaran que era imposible que las sustancias orgánicas produjeran en la Tierra, de forma natural, solamente mediante un proceso biogenético, o sea, con la única intervención de los organismos. Esta opinión predominante entre los científicos de hace algunas décadas, constituyó un obstáculo considerable para hallar una respuesta a la cuestión del origen de la vida.

Para tratar esta cuestión era indispensable saber cómo llegaron a constituirse las sustancias orgánicas; pero ocurría que éstas sólo podían ser sintetizadas por organismos vivos. Sin embargo, únicamente podemos llegar a esta síntesis si nuestras observaciones no van más allá de los límites del planeta Tierra. Si traspasamos esa frontera nos encontraremos con que en diferentes cuerpos celestes de nuestra Galaxia se están creando sustancias orgánicas de manera abio-genética, es decir, en un ambiente que excluye cualquier posibilidad de que existan seres orgánicos en aquel lugar.

Estrella de carbono (estrella gigante roja). En  una  constelación  con  pocas  estrellas  brillantes ,  U  Antliae  se  destaca  con  su  color  rojizo  por  ser  una  estrella  de  carbono  y  visible  a  simple  vista  en  el  limite  de  la  visión  humana.  es una estrella de carbono, evolucionada, fría y luminosa, de la rama asintótica gigante. Hace unos 2.700 años atrás, U Antliae pasó por un corto período de rápida pérdida de masa.

Con un espectroscopio podemos estudiar la fórmula química de las atmósferas estelares, y en ocasiones casi con la misma exactitud que si tuviéramos alguna muestra de éstas en el Laboratorio. El Carbono, por ejemplo, se manifiesta ya en las atmósferas de las estrellas tipo O, que son las que están a mayor temperatura, y su increíble brillo es lo que las diferencia de los demás astros (Ya os hablé aquí de R. Lepori, la estrella carmesí, o, también conocida como la Gota de Sangre, una estrella de Carbono de increíble belleza).

En la superficie de las estrellas de Carbono existe una temperatura que oscila los 20.000 y los 28.000 grados. Es comprensible, entonces, que en esa situación no pueda prevalecer aún alguna combinación química. La materia está aquí en forma relativamente simple, como átomos libres disgregados, sueltos como partículas minúsculas que conforman la atmósfera incandescente de estos cuerpos estelares.

La atmósfera de las estrellas tipo B, característica por su luz brillante blanco-azulada y cuya corteza tiene una temperatura que va de 15.000 a 20.000 grados, también tienen vapores incandescentes de carbono. Pero aquí este elemento tampoco puede formar cuerpos químicos compuestos, únicamente existe en forma atómica, o sea, en forma de pequeñísimas partículas sueltas de materia que se mueven a una velocidad de vértigo.

Sólo la visión espectral de las estrellas Blancas tipo A, en cuya superficie hay una temperatura de unos 12.000º, muestras unas franjas tenues, que indican, por primera vez, la presencia de hidrocarburos –las más primitiva combinaciones químicas de la atmósfera de estas estrellas. Aquí, sin que existan antecedentes, los átomos de dos elementos (el carbono y el hidrógeno) se combinan resultando un cuerpo más perfecto y complejo, una molécula química.

Observando las estrellas más frías, las franjas características de los hidrocarburos son más limpias cuando más baja es la temperatura y adquieren su máxima claridad en las estrellas rojas, en cuya superficie la temperatura nunca es superior a los 4.000º.

Es curioso el resultado obtenido de la medición de Carbono en algunos cuerpos estelares por su temperatura:

• Proción: 8.000º
• Betelgeuse: 2.600º
• Sirio: 11.000º
• Rigel: 20.000º

Como es lógico pensar, las distintas estrellas se encuentran en diferentes períodos de desarrollo. El Carbono se encuentra presente en todas ellas, pero en distintos estados del mismo.

Las estrellas más jóvenes, de un color blanco-azulado son a la vez las más calientes. Éstas poseen una temperatura muy elevada, pues sólo en la superficie se alcanzan los 20.000 grados.

Los científicos descubrieron una enorme cantidad de silicatos cristalinos e hidrocarburos policíclicos aromáticos, dos sustancias que indican la presencia de oxígeno y de carbono, respectivamente. Así todos los elementos que las componen, incluido el Carbono, están en forma de átomos, de diminutas partículas sueltas. Existen estrellas de color amarillo y la temperatura en su superficie oscila entre los 6.000 y los 8.000º. En estas también encontramos Carbono en diferentes combinaciones.

El Sol, pertenece al grupo de las estrellas amarillas y en la superficie la temperatura es de 6.000º. El Carbono en la atmósfera incandescente del Sol, lo encontramos en forma de átomo, y además desarrollando diferentes combinaciones: Átomos de Carbono, Hidrógeno y Nitrógeno, Metano, Cianógeno, Di-carbono, es decir:

              Moléculas orgánicas complejas por todo el Universo

1. Átomos sueltos de Carbono, Hidrógeno y Nitrógeno.
2. Miscibilidad combinada de carbono e hidrógeno (metano)
3. Miscibilidad combinada de carbono y nitrógeno (cianógeno); y
4. Dos átomos de Carbono en combinación (di-carbono).

En las atmósferas de las estrellas más calientes, el carbono únicamente se manifiesta mediante átomos libres y sueltos. Sin embargo, en el Sol, como sabemos, en parte, se presenta ya, formando combinaciones químicas en forma de moléculas de hidrocarburo de cianógeno y de di-carbono.

Para hallar las respuestas que estamos buscando en el conocimiento de las sustancias y materiales presentes en los astros y planetas, ya se está realizando un estudio en profundidad de la atmósfera de los grandes planetas del Sistema solar. Y, de momento, dichos estudios han descubierto, por ejemplo, que la atmósfera de Júpiter está formada mayoritariamente por amoníaco y metano. Lo cual hace pensar en la existencia de otros hidrocarburos. Sin embargo, la masa que forma la base de esos hidrocarburos, en Júpiter permanece en estado líquido o sólido a causa de la abaja temperatura que hay en la superficie del planeta (135 grados bajo cero). En la atmósfera del resto de grandes planetas se manifiestan estas mismas combinaciones.

Ha sido especialmente importante el estudio de los meteoritos, esas “piedras celestes” que caen sobre la Tierra de vez en cuando, y que provienen del espacio interplanetario. Estos han representado para los estudiosos los únicos cuerpos extraterrestres que han podido someter a profundos análisis químico y mineralúrgico, de forma directa. Sin olvidar, en algunos casos, los posibles fósiles.

Estos meteoritos están compuestos del mismo material que encontramos en la parte más profunda de la corteza del planeta Tierra y en su núcleo central, tanto por el carácter de los elementos que los componen como por la base de su estructura. Es fácil entender la importancia capital que tiene el estudio de los materiales de estas piedras celestes para resolver la cuestión del origen de las primitivas composiciones durante el período de formación de nuestro planeta que, al fin y al cabo, es la misma que estará presente en la conformación de otros planetas rocosos similares al nuestro, ya que, no lo olvidemos, en todo el universo rigen las mismas leyes y, la mecánica de los mundos y de las estrellas se repiten una y otra vez aquí y allí, a miles de millones de años-luz de nosotros.

Así que, se forman hidrocarburos al contactar los carburos con el agua. Las moléculas de agua contienen oxígeno que, combinado con el metal, forman los hidróxidos metálicos, mientras que el hidrógeno del agua mezclado con el carbono forman los hidrocarburos.
Los hidrocarburos originados en la atmósfera terrestre se mezclaron con las partículas de agua y amoníaco que en ella existían, creando sustancias más complejas. Así, llegaron a hacerse presentes la formación de cuerpos químicos. Moléculas compuestas por partículas de oxígeno, hidrógeno y carbono.

Todo esto desembocó en el saber sobre los Elementos que hoy podemos conocer y, a partir de Mendeléiev (un eminente químico ruso) y otros muchos…se hizo posible que el estudio llegara muy lejos y, al día de hoy, podríamos decir que se conocen todos los elementos naturales y algunos artificiales que, nos llevan a tener unos valiosos datos de la materia que en el universo está presente y, en parte, de cómo funciona cuando, esas sustancias o átomos, llegan a ligarse los unos con los otros para formar, materiales más complejos que, aparte de los naturales, están los artificiales o transuránicos.

Aquí en la Tierra, las reacciones de hidrocarburos y sus derivados oxigenados más simples con el amoníaco generaron otros cuerpos con distintas combinaciones de átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (CHON) en su moléculas llamadas paras la vida una vez que, más tarde, por distintos fenómenos de diversos tipos, llegaron las primeras sustancias proteínicas y grasas que, dieron lugar a los aminoácidos, las Proteínas y el ADN y RDN que, finalmente desembocó en eso que llamamos vida y que, evolucionado, ha resultado ser tan complejo y, a veces, en ciertas circunstancias, peligroso: ¡Nosotros!

Emilio Silvera Vázquez

Todo lo que existe está en el Universo: Los pensamientos también

 El Universo, la Vida, ¿Y el destino?

                            Si nuestras caras no fuesen simétricas… ¿Qué aspectos tendríamos?

La ley de Planck describe la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico en una temperatura definida. Se trata de un resultado pionero de la física moderna y la teoría cuántica.

Para ser exactos, su valor es de 6.626×10^–34 julios por segundo, según el Sistema Internacional de Unidades. Asimismo, la constante de Planck también desempeñó un papel esencial en la formulación de otro de los grandes planteamientos de la cuántica, como el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Lo cierto es que Planck, con aquel artículo de 8 páginas publicado en 1.900, sembró la semilla de lo que más tarde floreció como la me canica cuántica (esta es la primera verdad).

Las estrellas brillan en el cielo para hacer posible que nosotros estemos aquí descubriendo los enigmas del Universo, de los mecanismos que lo rigen, de la materia y de la energía que está presente y, ¿por qué no? de la vida inteligente que en él ha llegado a evolucionar. En las estrellas se crean los elementos esenciales para la vida. Esos elementos esenciales para la vida están elaborándose en los hornos nucleares de las estrellas. Allí, mediante transiciones de fases a muy altas temperaturas, se hace posible la fusión que se produce venciendo la barrera de Coulomb, y a partir del simple Hidrógeno, hacer aparecer materia más compleja que más tarde, mediante procesos físico-químicos-biológicos, hacen posible el surgir de la vida bajo ciertas circunstancias y condiciones especiales de planetas y de la estrellas que teniendo las condiciones similares al Sol y la Tierra, lo hace inevitable.

Pero está claro, como digo, que todo el proceso estelar evolutivo nos condujo desde el simple gas y polvo cósmico a la formación de estrellas y nebulosas en las que se crean moléculas, se forman estrellas nuevas y mundos. La Tierra primigenia en particular, en cuyo medio ígneo, procesos dinámicos dieron lugar a la formación de las estructuras y de los silicatos, desplegándose con ello una enorme diversidad de composiciones, formas y colores, asistiéndose, por primera vez en la historia de la materia, a unas manifestaciones que contrastan con las que hemos mencionado en relación al proceso de las estrellas.

Desde el punto de vista del orden es la primera vez que nos encontramos con objetos de tamaño comparables al nuestro, en los que la ordenación de sus constituyentes es el rasgo más característico. Partiendo de un Caos inicial se han ido acumulando los procesos necesarios para llegar a un orden que, es digno del asombro que nos producen los signos de vida que podemos contemplar por todas partes y, desde luego, tampoco podemos dejar de maravillarnos de que la Naturaleza, valiéndose de mil artimañas, haya podido conseguir la presencia de vida consciente en un mundo, y, muy probablemente, en muchos mundos de muchas galaxias en todo el Universo.

Al mismo tiempo nos ha parecido reconocer que esos objetos, es decir, sus redes cristalinas “reales”, almacenan información (memoria) que se nos muestra muy diversa y que puede cobrar interés en ciertos casos, como el de los microcristales de arcilla, en los que, según Cairns-Smith, puede incluso llegar a transmitirse.

                        Microcristales de arcilla

Porque, ¿qué sabemos en realidad de lo que llamamos materia inerte? Lo único que sabemos de ella son los datos referidos a sus condiciones físicas de dureza, composición, etc.; en otros aspectos ni sabemos si pueden existir otras propiedades distintas a las meramente físicas. ¿No os hace pensar que nosotros estemos hechos, precisamente, de lo que llamamos materia inerte?

Pero el mundo inorgánico es sólo una parte del inmenso mundo molecular. El resto lo constituye el mundo orgánico, que es el de las moléculas que contienen carbono y otros átomos y del que quedan excluidos, por convenio y características especiales, los carbonatos, bicarbonatos y carburos metálicos, los cuales se incluyen en el mundo inorgánico.

Según decía en trabajos anteriores, los quarks u y d se hallan en el seno de los nucleones (protones y neutrones) y, por tanto, en los núcleos atómicos. Hoy día, éstos se consideran como una subclase de los hadrones.

La composición de los núcleos (lo que en química se llama análisis cualitativo) es extraordinariamente sencilla, ya que como es sabido, constan de neutrones y protones que se pueden considerar como unidades que dentro del núcleo mantienen su identidad. Tal simplicidad cualitativa recuerda, por ejemplo, el caso de las series orgánicas, siendo la de los hidrocarburos saturados la más conocida. Recordad que su fórmula general es C_nH_2n+2, lo que significa que una molécula de hidrocarburo contiene n átomos de carbono (símbolo C) y (2n+2) átomos de hidrógeno (símbolo H).

El número de protones y neutrones determina al elemento, desde el hidrógeno (el más simple), al uranio (el más complejo), siempre referido a elementos naturales que son 92; el resto son artificiales, los conocidos transuránicos en cuyo grupo están el einstenio o el plutonio, artificiales todos ellos.

Los núcleos, como sistemas dinámicos de nucleones, pertenecen obviamente a la microfísica y, por consiguiente, para su descripción es necesario acudir a la mecánica cuántica. La materia, en general, aunque presumimos de conocerla, en realidad, nos queda mucho por aprender de ella.

          Los átomos se juntan para formar moléculas

El número de especímenes atómicos es finito, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya antes me referiría a las especies atómicas, naturales y artificiales que son de unos pocos millares; en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprende varios millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a las síntesis que se llevan a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

            Ya son muchas decenas de moléculas encontradas en las nubes interestelares

Una molécula es una estructura con individualidad propia, constituida por núcleos y electrones. Obviamente, en una molécula las interacciones deben tener lugar entre núcleos y electrones, núcleos y núcleos y electrones y electrones, siendo del tipo electromagnético.

Debido al confinamiento de los núcleos, el papel que desempeñan, aparte del de proporcionar la casi totalidad de la masa de la molécula, es poco relevante, a no ser que se trate de moléculas livianas, como la del hidrógeno. De una manera gráfica podríamos decir que los núcleos en una molécula constituyen el armazón de la misma, el esqueleto, cuya misión sería proporcionar el soporte del edificio. El papel más relevante lo proporcionan los electrones y en particular los llamados de valencia, que son los que de modo mayoritario intervienen en los enlaces, debido a que su energía es comparativamente inferior a la de los demás, lo que desempeña un importante papel en la evolución.

Desde las moléculas más sencilla, como la del hidrógeno con un total de 2 electrones, hasta las más complejas, como las de las proteínas con muchos miles de ellos, existe toda una gama, según decía, de varios millones.  Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

Sin entrar en las posibles diferencias interpretativas de estas notables divergencias, señalaré que desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares y atómicas.

Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a la de los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco se podría admitir que la citada información la soportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales las que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones corticales.

Justamente esa información es la que va a determinar las capacidades de unión de unos átomos con otros, previo el “reconocimiento” entre los orbitales correspondientes. De acuerdo con la mecánica cuántica, el número de orbitales se reduce a unos pocos. Se individualizan por unas letras, hablándose de orbitales s, p, d, f, g, h. Este pequeño número nos proporciona una gran diversidad.

La llamada hibridación (una especie de mezcla) de orbitales es un modo de aumentar el número de mensajes, esto es, la información, bien entendido que esta hibridación ocurre en tanto y en cuanto dos átomos se preparan para enlazarse y formar una molécula. En las moléculas, la información, obviamente, debe abarcar todo el edificio, por lo que en principio parece que debería ser más rica que en los átomos. La ganancia de información equivale a una disminución de entropía; por esta razón, a la información se la llama también negantropía.

En términos electrónicos, la información se podría considerar proporcionada por un campo de densidad eléctrica, con valles, cimas, collados, etc, es decir, curvas iso-electrónicas equivalentes formalmente a las de nivel en topografía. Parece razonable suponer que cuanto más diverso sean los átomos de una molécula, más rica y variada podrá ser su información, la información que pueda soportar.

La enorme variedad de formas, colores, comportamientos, etc que acompaña a los objetos, incluidos los vivientes, sería una consecuencia de la riqueza en la información que soportan las moléculas (y sus agregados) que forman parte de dichos objetos. Ello explicaría que las moléculas de la vida sean en general de grandes dimensiones (macromoléculas). La inmensa mayoría de ellas contiene carbono. Debido a su tetra-valencia y a la gran capacidad que posee dicho átomo para unirse consigo mismo, dichas moléculas pueden considerarse como un esqueleto formado por cadenas de esos átomos.

El carbono no es el único átomo con capacidad para formar los citados esqueletos. Próximos al carbono en la tabla periódica, el silicio, fósforo y boro comparten con dicho átomo esa característica, si bien en un grado mucho menor. Si tengo que ser sincero, mi convicción está centrada en que, cualquier forma de vida que podamos encontrar en el Universo, estarán conformadas como las que tenemos y existieron en la Tierra, en el Carbono. Otro elemento no podría dar, tanto…¿juego?

Pero, si hablamos del Universo que es lo que todo lo abarca, en el que están presentes la materia y el espacio-tiempo, las fuerzas fundamentales que todo lo rige y las constantes universales que hace que nuestro universo sea de la manera que lo podemos contemplar y, sobre todo, que la vida esté presente en él. Si la carga del electrón, la masa del protón, o, la velocidad de la luz, variaran tan sólo una diezmilésima… ¡La Vida no sería posible!

En la imagen podemos contemplar  lo que se clasifica NGC 3603,  es un cúmulo abierto de estrellas en una vasta región estelar, rodeada de una región H II (una enorme nube de gas y plasma en el que constantemente están naciendo estrellas), situado en el brazo espiral Carina de la Vía Láctea, a unos 20.000 -luz de distancia en la constelación de Carina. Es uno de los jóvenes cúmulos de estrellas más luminosas e impresionante en la Vía Láctea, y la concentración más densa de estrellas muy masivas conocidas en la galaxia. Se estima que se ha formado hace alrededor de un millón de años. Las estrellas azules calientes en el núcleo son responsables de la fuerte radiación ultravioleta y los vientos estelares, tallando una gran cavidad en el gas.

NGC 3603 alberga miles de estrellas de todos los rangos, tamaños, composición y colores: la mayoría tienen masas similares o menores a la de nuestro Sol, pero las más espectaculares son algunas de las estrellas muy masivas que están cerca del final de sus vidas. Ahí están presentes algunas estrellas  supergigantes que se agolpan en un volumen de menos de un año luz cúbico, se han localizado en la misma zona a tres llamadas Wolf-Rayet, estrellas muy brillantes y masivas que expulsan grandes cantidades de material antes de convertirse en supernovas.

Una de estas estrellas (NGC 3603-A1), una estrella doble azul que orbita alrededor de otra una vez cada 3,77 días, es la estrella más masiva conocida en la Vía Láctea. La más masiva de estas dos estrellas tiene una masa estimada de 116 masas solares, mientras que su compañera tiene una masa de 89 masas solares. Se estima que la masa máxima de una estrella es de unas 120 masas solares, siendo más masiva, su propia radiación las destruiría.

Las estrellas supermasivas cuando colapsan forman extrañas y, a veces, fantásticas imágenes que podemos captar por nuestros más sofisticados telescopios.  Hace veinte años, los astrónomos fueron testigos de uno de los más brillantes explosiones estelares en más de 400 años. La supernova titánica, llamada SN 1987A, ardió con la fuerza de 100 millones de soles varios meses después de su descubrimiento el 23 de febrero de 1987.

Las observaciones de SN 1987A, hechas en los últimos 20 por el Telescopio Espacial Hubble de NASA / ESA y muchos otros grandes telescopios terrestres y espaciales, han servido para cambiar la perspectiva que los astrónomos tenían de cómo las estrellas masivas terminan sus vidas. Estudiando estos sucesos sus comienzos se pueden ver los detalles más significativos del acontecimiento, cosa que, estudiando los remanentes de supernovas muy antiguas no se podían ver.

También el clúster abierto NGC 3603 contiene a Sher 25, una super gigante B1a que inevitablemente morirá en un masivo suceso supernova en los próximos 20.000 años (se estima).  ¡Esto emitirá una luz tan potente que competirá en el cielo con el planeta Venus! Un detalle muy emocionante es que Sher 25 presenta anillos similares a los que dejó la supernova SN 1987 A que más arriba hemos podido contemplar.

Cuando colapsa el núcleo de una estrella, ocurre en la formación de una estrella de neutrones, es preciso que la estrella esté evolucionada hasta el punto de que su núcleo esté compuesto completamente por hierro, que se niega a ser quemado en reacciones nucleares, no se puede producir la fusión y, por tanto, no produce la energía suficiente como soportar la inmensa fuerza de gravedad que propia masa de la estrella genera y que, solamente era frenada por la energía que produce la fusión nuclear que tiende a expandir la estrella, mientras que la gravedad tiende a contraerla.

El núcleo entonces se contrae, liberando energía potencial gravitatoria, se rompen los núcleos de los átomos de hierro en sus protones y sus neutrones constituyentes. A medida que aumenta la densidad, los protones se combinan con los electrones para formar neutrones. El colapso sólo se detiene la presión de degeneración del gas de neutrones compensa el empuje  hacia adentro de la Gravedad. El proceso completo hasta que se la estrella de neutrones dura de un segundo.

               Otra perspectiva del remanente de la supernova por colapso de núcleo SN 1987A.

Han sido muy variados los grupos de astrónomos investigadores que han realizado observaciones durante largos períodos de tiempo llevar a cabo la no fácil tarea de comprender cómo se forman las estrellas de neutrones y púlsares cuando estrellas masivas llegan al final de sus vidas y finalizan el proceso de la fusión nuclear, momento en el que -como explicaba antes- la estrella se contrae, implosiona sobre sí misma, se produce la explosión supernova y queda el remanente formado por material más complejo en forma de gases que han sido expulsados por la estrella en este proceso final en el que, las capas exteriores de la estrella, forman una nebulosa y la estrella en sí misma, al contraerse y hacerse más densa, es decir de 10¹⁷ kg/m³.

NGC 604, Una región H II gigante en la galaxia del Triángulo

Se ha podido llegar a saber que las supernovas por colapso de núcleo suelen ocurrir en los brazos de galaxias espirales, así como también en las regiones HII, donde se concentran regiones de formación estelar. Una de las consecuencias de esto es que las estrellas, con masas a partir de 8 veces la masa del Sol, son las estrellas progenitoras de estos estos sucesos cósmicos. También es muy interesante y se está estudiando cómo se forman los inmensos campos magnéticos alreddor de estas estrellas de neutrones y púlsares que se conviertan en magnetares.

Cuando hace unos pocos años se descubrió la estrella de neutrones SGR0418, poco podían pensar los astrónomos que su funcionamiento alteraría todas las teorías existentes acerca del funcionamiento de los magnetares. Sin embargo es así, ya que funciona como uno de éstos y no como sería propio de su condición. Este hallazgo obliga a la ciencia a replantearse las teorías que se manejaban hasta ahora acerca del origen y evolución de los magnetares.

 El “universo” de los procesos que siguen al colapso de los núcleos de las estrellas masivas es fascinante. Así, cuando se un púlsar que es una estrella de neutrones que gira sobre sí misma a una gran velocidad y también una fuente de ondas de radio que vibran con periodos regulares, este de estrellas tan extrañas son fruto -como antes decía- de una supernova o por consecuencias de la acreción de materia en estrellas enanas blancas en sistemas binarios. Una enana blanca que también es muy masiva, si tiene una estrella compañera cercana, genera mucha fuerza gravitatoria comienza a tirar del material de la estrella vecina y se lo queda hasta tal punto que, se transforma en una estrella de neutrones en una segunda etapa en la que se producen nuevos procesos de implosión.

La densidad de estas estrellas es increíblemente grande (8×10¹⁷ kg/m³), tanto que un cubo de arena lleno del material de una estrella de neutrones tendría un peso parecido al de la montaña mas grande de la tierra. Es decir, que fácilmente la densidad de una E.N. pudiera ser de unas 500.000 veces la masa de la Tierra y tener un diámetro de sólo un par de decenas de kilómetros.   Los púlsares fueron descubiertos en 1970 y hasta solo se conece unas 300 estrellas de este tipo. Sin embargo, se calcula que sólo en nuestra Galaxia podrían ser un millón. La rápida rotación de los pùlsares los mantiene fuertemente magnetizados y sus rotaciones vertiginosas generan y son inmensas fuentes de electricidad. Llegan a producir mil millones de millones de voltios. Cuando nustros aparatos los observan y estudian detectan intensos haces de radiación en toda la gama del espectro (radio, luz, rayos X, Gamma).

Imagen de rayos-X en falso color de la región del cielo alrededor de SGR 1627-41 obtenida con XMM-Newton. La emisión indicada en rojo procede de los restos de una estrella masiva que estalló. Cubre una región más extendida de lo que se deducía anteriormente de las observaciones de radio, alrededor del SGR. Esto sugiere que la estrella que estalló fue el progenitor del magnetar. Crédito: ESA/XMM-Newton/EPIC (P. Esposito et al.)

 Por ahora se conoce que de cada diez supernovas una se convierte en magnetar,  si la supernova posee 6 y 12 masas solares, se convierte en una estrella de neutrones de no más de 10 a 20 km de diámetro. En el caso de las estrellas supermasivas de decenas de masas solares, el resultado es muy diferente y nos encontramos con los agujeros negros, esos monstruos del espacio devoradores de materia.

Cuando una estrella supermasiva muere, las consecuencias energéticas son inmensas. Ahí, en esa explosión se producen transiciones de fase que producen materiales pesados y complejos. En una supernova, en orden decreciente tenemos la secuencia de núcleos H, He, O, C, N, Fe, que coincide bastante bien con una ordenación en la tabla periódica de elementos.

La explosión de una estrella gigante y supermasiva hace que brille más que la propia galaxia que la acoge y, en su ese tránsito de estrella a púlsar o agujero negro, se forman elementos que, el oro o el platino, se riegan por el espacio interestelar en las inmensas nebulosas de las que, más tarde, nacerán nuevas estrellas y nuevos mundos.

Pero está claro que todo el proceso estelar evolutivo inorgánico nos condujo el simple gas y polvo cósmico a la formación de estrellas y nebulosas solares hasta los planetas, la Tierra en particular, en cuyo medio ígneo describimos la formación de las estructuras de los silicatos, desplegándose con ello una enorme diversidad de composiciones, formas y colores, asistiéndose, por primera vez en la historia de la materia, a unas manifestaciones que contrastan con las que hemos mencionado en relación al proceso de las estrellas. Porque, en última instancia, debemos ser conscientes de un hecho cierto: En las estrellas se ¡ “fabrican los materiales que darán lugar al surgir de la vida”!.

       El remanente estelar después de la explosión puede ser muy variado

Es posible que lo que nosotros llamamos materia inerte, no lo sea tanto, y, puede que incluso tenga memoria que transmite por medios que no sabemos reconocer. Esta clase de materia, se alía con el tiempo y, en momento adopta una forma predeterminada y de esa manera sigue evolucionando hasta llegar a su máximo ciclo o nivel en el que, de “materia inerte” llega a la categoría de “materia viva”, y, por el camino, ocupará siempre el lugar que le corresponda. No olvidemos de aquel sabio que nos dijo: “todas las cosas son”. El hombre, con aquellas sencillas palabras, elevó a todas las cosas a la categoría de ¡SER!

   ¿No os pensar que nosotros estemos hechos, precisamente, de lo que llamamos materia inerte?

Claro que, el mundo inorgánico es sólo una del inmenso mundo molecular. El resto lo constituye el mundo orgánico, que es el de las moléculas que contienen carbono y otros átomos y del que quedan excluidos, por convenio y características especiales, los carbonatos, bicarbonatos y carburos metálicos, los cuales se incluyen en el mundo inorgánico.

Según expliqué muchas veces, los quarks u y d se hallan en el seno de los nucleones (protones y neutrones) y, por tanto, en los núcleos atómicos. Hoy día, éstos se consideran una subclase de los hadrones. La composición de los núcleos (lo que en química se llama análisis cualitativo) es extraordinariamente sencilla, ya que como es sabido, constan de neutrones y protones que se pueden considerar como unidades que dentro del núcleo mantienen su identidad. Tal simplicidad cualitativa recuerda, por ejemplo, el caso de las series orgánicas, siendo la de los hidrocarburos saturados la más conocida. Recordad que su fórmula general es C_nH_2n+2, lo que significa que una molécula de hidrocarburo contiene n átomos de carbono (símbolo C) y (2n+2) átomos de hidrógeno (símbolo H).

Bueno, otra vez, como tantas veces me pasa, me desvío del camino que al principio del trabajo me propuse seguir y me pierdo en las elucubraciones que imaginan mis pensamientos. Mejor lo dejamos aquí.

Emilio Silvera Vázquez