Estrellas, que son y como evolucionan.

Ya vimos en la página de astronomía como se formaron las primeras estrellas, siguiendo el modelo del Big Bang y sus etapas posteriores.

Ahora veremos como se forman las estrellas, como se están formando actualmente, donde, que es lo que ocurre, etc…

Las estrellas se forman en grandes nubes moleculares  frías compuestas de gas y polvo, repartidas por el universo (en las galaxias y cúmulos).

estrella

Estas nubes se perturban por fenómenos como super novas, interacciones con otras galaxias, gravedad, etc…

Se crean entonces una especie de “esferas de gas” que van agrupándose por efecto de la gravedad, fraccionándose en varias esfera. Cada esfera, debido a la gravedad se va calentando y girando, formándose lo que se conoce como PROTOESTRELLA.

 

Estas esferas de gas (protoestrellas) se van calentando hasta alcanzar una temperatura suficiente para que empiecen a reaccionar los átomos de hidrógeno entre si. Recordad: 4 átomos de hidrógeno reaccionan uniéndose para formar dos átomos de helio, liberando una inmensa cantidad de energía .

Comienzan así las reacciones nucleares en el interior, comienza a brillar y decimos que se ha formado una ESTRELLA.

Dependiendo de la cantidad de masa molecular que condense, así será la masa de una estrella y por tanto su tamaño, temperatura, evolución y final.

Las estrellas son esferas de plasma (gas muy caliente ionizado (*) que emiten energía debido a las reacciones termo nucleares en su interior.

(*) El átomo de hidrógeno pierde un electrón al recibir una gran cantidad de radiación. Esa energía es absorbida por el átomo, saltando dicho electrón.

Este es el esquema de lo que se produce en estas reacciones termo nucleares:

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Es en el proceso de fusión de los átomos donde se libera una gran cantidad de energía.

En las estrellas hay entonces dos fuerzas enormes que luchan entre si. Por un lado la fuerza de la gravedad, debido a todo el material que tenemos dentro, la ingente cantidad de átomos reaccionando.

Y por otro lado tenemos la fuerza nuclear de esas reacciones que comentamos, que generan fotones, emiten luz, y que son como enormes bombas atómicas.

Tenemos entonces esta fuerza de la gravedad, que llevaría a la estrella a un colapso gravitatorio, y la fuerza nuclear, que llevaría a la estrella a explotar expandiéndose.

Estas dos fuerzas se contrarrestan mientras dure el combustible (hidrógeno), y de ahí que tengamos a nuestra estrella como el sol, estable y en forma de esfera.

Veamos ahora la evolución de una estrella. Está dependerá de la masa de la misma. Las estrellas menos masivas, viven menos, son mas longevas. Tardan mas en quemar todo su combustible, son mas frías (amarillas).  Mientras que las estrellas mas masivas viven menos, consumen mucho mas rápido su combustible, son mas calientes (azules).

Ciclo de vida de una estrella (depende de su masa):

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(el ciclo es algo mas complejo, con varios tamaños de estrellas intermedios, pero eso lo dejaremos para próximos artículos)

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Expliquemos primero el caso de una estrella mediana o pequeña como nuestro sol:

A medida que se va acabando el hidrógeno, la fuerza de la gravedad no es suficiente para contrarrestar a la termo nuclear y la estrella se HINCHA. Las capas exteriores se dilatan, formándose una gigante roja. En ella empieza a fusionarse el Helio produciendo Carbono.

El núcleo de esta estrella colapsa, pero como no hay suficiente energía para empezar a quemar (fusionar) carbono, las capas exteriores se expulsan en forma de nebulosa planetaria  (pues la gravedad no es suficiente para mantenerlas en la estrella) y el núcleo colapsa convirtiéndose en una ENANA BLANCA.

Vamos ahora con las estrellas masivas, de masa como mínimo 9 veces la del sol.

Estas estrellas son tan masivas y calientes que en su interior no solo se produce helio y carbono, si no que la energía es tan alta que se dan todas las reacciones de fusión hasta la formación de Hierro, generándose una elevadísima cantidad de energía.

Cuando se quema todo el combustible hasta llegar al hierro, la estrella es como una enorme “cebolla” compuesta por diferentes capas de diferentes composiciones. Se expande en forma de gigante roja, la gravedad no es suficiente para tener todas las capas agrupadas.

Al llegar al punto del hierro, la estrella se colapsa, el núcleo se contrae y las capas exteriores explotan en forma de super nova.

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El núcleo que queda tiene una enorme densidad, la gravedad es altísima. Entonces ese núcleo forma una estrella de neutrones o un agujero negro (ya explicaremos lo que son).

Acabamos de ver como nacen y mueren las estrellas. Vemos que en ellas y en su evolución se forman los elementos químicos de la naturaleza.

A través de las nebulosas planetarias y  explosiones de supernovas se expulsan al espacio nuevamente los componentes necesarios para formar otra estrella o para formar sistemas planetarios. Somos polvo de estrellas!!!!

Nebulosa creada por una supernova. La nebulosa del cangrejo:

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El Bosón de Higgs

Intentaremos explicar de una forma sencilla lo que es el Bosón de Higgs. Mas o menos todos hemos oído hablar de él, sin mas su existencia se demostró hace bien poco en los experimentos realizados en el CERN en 2012, aunque su existencia se postuló mucho antes por Peter Higgs (en 1964), como algo necesario para explicar que las partículas tienen masa.

Pero antes de todo tenemos que hacer hincapié claramente en la diferencia entre masa y peso. No confundamos estos términos.

  • Masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo o partícula.
  • Peso es la fuerza causada sobre ese cuerpo por el campo gravitatorio o gravedad.

Así un hombre que en la tierra “pesa” 60 kg, en la tierra, en la luna pesará 10 kg. Por que?, por que la fuerza gravitatoria con la que atrae la luna a una masa es 1/6 menor que en la tierra. El mismo hombre, con la misma masa, “pesará” de una forma diferente dependiendo de la fuerza gravitatoria con la que sea atraído.

Bien, entendido esto pasemos ahora al campo de las PARTICULAS.

Si repasamos en la sección de astronomía que es el Big Bang y como empezó todo, recordaremos que al principio justo después del Big Bang había una “sopa cósmica” compuesta por partículas (quarks, gluones, electrones, fotones, muones….) y radiación.

De estas partículas sabemos que las hay con mucha masa (como algunos quarks) y con muy poca masa o directamente sin masa como los fotones.

Pero que es lo que le “da” o le confiere masa a las partículas?

EL BOSÓN DE HIGGS

Vamos a explicarlo:

Imaginemos una piscina llena de agua en la que metemos la mano. Al moverla, vemos que si abrimos los dedos, a la mano la cuesta menos moverse que si cerramos los dedos. Si metemos un rastrillo de jardín, este se moverá mas deprisa y con menos resistencia que si metemos una pala.

Ahora traslademos nuestro ejemplo a nivel de partículas. Nuestra piscina es un campo de Higgs. Las partículas con mas masa se moverán mas despacio por el campo de Higgs y las partículas con menos masa se moverán mas rápido por el campo de Higgs.

Campo de Higgs: Todo el espacio está relleno de un campo que no podemos ver (recordemos campo electromagnético, campos de fuerzas…), el campo de Higgs.

Campo es una región del espacio (en este caso todo el espacio) asociado a una magnitud física. En vuestro caso la masa.

De que se compone este campo de Higgs? De los Bosones de Higgs o partículas de fuerza, esparcidos uniformemente por todo el campo.

Que es lo que ocurre? Pues que si una partícula grande (mucha masa) se mueve por el campo de Higgs, lo hará de una forma mas lenta, con mas rozamiento, interactuará con los Bosones de Higgs. Y una partícula pequeña, con muy poca masa, se moverá muy rápido a través del campo de Higgs, los Bosones de Higgs interactuarán muy poco con esta partícula. Recordad la mano en el agua.

La masa de las partículas estaría causada por una especie de “fricción” con el campo de Higgs, por lo que las partículas más ligeras se moverían por este campo fácilmente mientras que las más pesadas lo harán con mayor dificultad.

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En este gráfico de arriba, vemos que partículas muy pequeñas como los fotones, se mueven libremente por el campo de Higgs, no interactúan, no les friccionan los Bosones de Higgs. Se mueven muy deprisa (Fotones a la velocidad de la luz).Partículas mas grandes como los electrones si que interactúan con los Bosones de Higgs en el campo, se mueven mas despacio y por eso decimos que este campo, estos Bosones de Higgs les confieren una “masa” mayor. Y partículas mas grandes como los quarks, interactúan mucho con el campo de Higgs, con los Bosones de Higgs. Estos les friccionan mucho y por tanto tienen mayor dificultad para moverse, les confiere una masa mucho mayor.

campo-de-higgs

Es el Bosón de Higgs el que le confiere y define la “masa” a las partículas al interactuar con ellas. Cuanto mas interactue una partícula con el campo de Higgs, mayor será su masa y por tanto menor su velocidad y energía.

Con esto quedaría explicado lo que es el campo de Higgs y los Bosones de Higgs. Pero para otro artículo merece la pena hacer una pequeña introducción aquí…..LA VELOCIDAD DE LA LUZ.

Por que creemos y hasta ahora no conocemos que la mayor velocidad posible es la de la luz? Pues si os fijáis en el primer gráfico veréis que los fotones se mueven LIBREMENTE por el campo de Higgs, van a su mayor velocidad al no interactuar con nada. De ahí que hasta el momento creamos (con los conocimientos de física que tenemos actualmente) que la mayor velocidad posible es la de la luz!!!!! Además, la teoría de la relatividad de Einstein así lo corrobora.

Los fotones se mueven a través del campo de Higgs pero no interaccionan con él. Por tanto, los fotones son partículas sin masa y, en el vacío, pueden moverse libremente a la máxima velocidad posible, que según las ecuaciones de Einstein y los estudios empíricos, es igual a la constante que conocemos como velocidad de la luz.

Pero esto lo desarrollaremos en otro artículo.

Nota: Hay estudios sobre velocidades super lumínicas y partículas que viajan a velocidades superiores a la de la luz (taquiones), pero esto es física de partículas compleja, muy difícil de explicar sencillamente.

Otra cosa importante que decir es que el Bosson de Higgs es el responsable aproximadamente del 1% de la masa total del universo. Pero el 99% restante????

El otro 99% se lo debemos a la energía que tienen los tres quarks que componen los protones y neutrones como consecuencia de la interacción entre ellos. Es decir, a la interacción fuerte. Esta fuerza que es la más intensa pero la de más corto alcance de todas, tiene la particularidad de que cuanto más se alejan entre sí las partículas que interaccionan fuertemente, más intensa es. Al contrario que la gravedad, por ejemplo, que cuanto más te alejas menos intensa es.

Las partículas que transmiten la interacción fuerte se representan como “muelles” y se llaman GLUONES.

Los quarks del protón intentan alejarse pero no pueden. Están sujetos por estos muelles o Gluones. En este proceso se manifiesta una ENORME cantidad de energía, y como recordaremos de la ecuación mas famosa de Einstein  E=mc2    obtenemos la masa que estábamos buscando.

Esto último es algo bastante complejo, no objeto de este sencillo blog, pero si alguno quiere saber mas acerca de esto, no dudeis en escribirme y preguntar.

Recordad: El Higgs es el responsable de dar masa a las partículas en el universo, ….pero no toda la masa.