De donde proviene cada elemento químico?

Todo lo que conocemos se compone de elementos químicos como el hidrógeno, carbono, oxígeno, etc….

Pero, de donde provienen estos elementos, como y donde se han formado?

En una entrada anterior del blog dijimos que los elementos químicos de los que estábamos compuestos, los átomos que los forma, provenían de las estrellas.

Fundamentalmente es así, pero no es del todo exacto, pues los elementos se han formado en diferentes etapas de nuestro universo y en diferentes etapas de la vida de una estrella.

Vamos a verlo con la tabla periódica de los elementos:

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En ella podemos ver los diferentes elementos diferenciados por colores.

Azul: El hidrógeno fue el primer elemento en formarse por la combinación de los quarks que lo componen. Se formó tras el big bang, cuando la energía decreció lo suficiente para que esos quarks pudieran recombinarse.

Una parte del Helio, también se formó así, aunque también se forma Helio en estrellas moribundas de baja masa y en explosiones de estrellas masivas.

Rosa: Berilio, Boro y una pequeña parte de Litio. Se forman a partir de la fisión nuclear por rayos cósmicos. El proceso también se llama espalación de rayos cósmicos.

El proceso se refiere a la formación de elementos químicos a partir del impacto de rayos cósmicos en un objeto. Los rayos cósmicos son partículas altamente cargadas de energía de fuera de la Tierra, desde electrones desviados a partículas alfa. Estas causan la espalaciónc uando un rayo cósmico (p.ej. un protón) impacta con materia, incluyendo otros rayos cósmicos. El resultado de la colisión es la expulsión de grandes miembros de nucleones (protones y neutrones) desde el objeto impactado.

Verde: Estos elementos se producen por fusión nuclear de otros elementos en las estrellas moribundas. Como ya vimos en el artículo de formación de estrellas, que son y como evolucionan, en el interior de una estrella se producen reacciones altamente energéticas de fusión, en las cuales el hidrógeno se combina para formar un elemento mas pesado, el Helio. Este se combina a su vez para formar otro elemento mas pesado, etc….Así se forman el Cabono y el Nitrógeno fundamentalmente.

Amarillo: Para que se formen estos elementos, la energía necesaria es mucho mayor. Se forman entonces en la muerte de estrellas masivas, en la explosión de estas estrellas. En Novas y super novas. El elemento mas característico que se forma así es el oxígeno.

Morado: Elementos que se forman en la fusión de estrellas de neutrones. La energía necesaria para que se formen es mucho mayor que los anteriores y en estos procesos se produce. El Oro es uno de los elementos que así se producen.

Hace poco hemos observado como dos de estas estrellas se fusionaban dando lugar  a ondas gravitacionales (que ya explicaremos).

Gris: Se necesita para su formación mas energía, que se obtiene en la explosión de enanas blancas (estrellas muy densas).

 

El Sol, nuestra estrella

El sol, es la fuente de nuestra energía, nuestra estrella. Sin él no cabría la posibilidad de vida en la tierra.

Es una estrella de tipo mediana-pequeña, en la secuencia principal de clasificación de estrellas sería una de tipo G y clase de luminosidad  V.

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Primero diremos unos cuantos datos del sol y luengo pasaremos a su origen, evolución y final.

  • Distancia a la tierra: 150 millones de kilómetros
  • Diámetro: 1.392.000 kilómetros
  • Superficie: 6,0877 × 1012 km² ( mas de 6 billones de kilómetros cuadrados)
  • Volumen: 1,4123 × 1018 km³ (mas de 1.412.300.000.000.000.000 kilómetros cúbicos)
  • Masa: 1,9891 × 1030 kg (1.989.100.000.000.000.000.000.000.000.000 kilos)
  • Masa relativa a la de la tierra: Si 1 es la de la tierra, 332.946 veces es la del sol
  • Gravedad en su superficie: 27,9 veces la de la tierra
  • Temperatura en la superficie: 5.505 ºC
  • Temperatura máxima en la corona: 1×106 K
  • Temperatura del núcleo: 1,36 × 107 K

El sol se originó a partir de una nube de gas molecular y polvo hace aproximadamente 4600 millones de años.

Lo que ocurrió es un colapso gravitacional de esta gran nube molecular. La materia de esta nube, debido fundamentalmente a la fuerza de la gravedad, comenzó a juntarse, liberando cada vez mas energía. La mayor parte de esta materia se acumuló en el centro, mientras que el resto se aplanó en un disco en órbita de esa materia central, que es lo que luego formó el resto del sistema solar.

Debido a la gravedad, esta masa central se volvió cada vez mas densa y caliente. Cuando esta masa adquirió un nivel suficiente de energía, entonces en el núcleo se produce la reacción de FUSIÓN NUCLEAR. Los átomos de hidrógeno se fusionan en un átomo mas pesado, el Helio, liberando enormes cantidades de energía. Es aquí cuando nace nuestro sol, cuando empieza a brillar.

Recordad la entrada anterior de nuestro blog, en ella podemos ver cuales son estas reacciones de fusión, que ocurren en todas las estrellas.

Estructura del Sol

Como vemos en la imagen de abajo el sol se compone de varias capas:

sol

Núcleo: es la zona del Sol donde se produce la fusión nuclear debido a la alta temperatura, es decir, el generador de la energía del Sol.

Zona Radiactiva: las partículas que transportan la energía (fotones) intentan escapar al exterior en un viaje que puede durar unos 100.000 años debido a que éstos fotones son absorbidos continuamente y re emitidos en otra dirección distinta a la que tenían.

Zona Convectiva: en ésta zona se produce el fenómeno de la convección, es decir, columnas de gas caliente ascienden hasta la superficie, se enfrían y vuelven a descender.

Fotosfera: es una capa delgada, de unos 300 Km, que es la parte del Sol que nosotros vemos, la superfície. Desde aquí se irradia luz y calor al espacio. La temperatura es de unos 5.000°C. En la fotosfera aparecen las manchas oscuras y las fáculas que son regiones brillantes alrededor de las manchas, con una temperatura superior a la normal de la fotosfera y que están relacionadas con los campos magnéticos del Sol.

Cromosfera: sólo puede ser vista en la totalidad de un eclipse de Sol. Es de color rojizo, de densidad muy baja y de temperatura altísima, de medio millón de grados. Esta formada por gases enrarecidos y en ella existen fortísimos campos magnéticos.

Corona: capa de gran extensión, temperaturas altas y de bajísima densidad. Está formada por gases enrarecidos y gigantescos campos magnéticos que varían su forma de hora en hora. Ésta capa es impresionante vista durante la fase de totalidad de un eclipse de Sol.

De que está compuesto el sol

Es sol es una esfera de plasma (gas ionizado) en el que ocurren diferentes procesos como acabamos de ver.

Fundamentalmente se compone de Hidrógeno, en un 92%, no obstante es el combustible nuclear del que proviene casi toda su energía. Le sigue el Helio (en un 8%), que es el elemento que se forma en la combinación de átomos de hidrógeno. Y de ahí en adelante tenemos oxígeno, carbono, nitrógeno, etc.. en proporciones mucho mas pequeñas.

Como funciona el sol, como se produce la energía

La energía solar se crea en el interior del Sol, donde la temperatura llega a los 15 millones de grados, con una presión altísima, que provoca las reacciones nucleares de fusión. Se liberan protones (núcleos de hidrógeno), que se funden en grupos de cuatro para formar partículas alfa (núcleos de helio).

Cada partícula alfa pesa menos que los cuatro protones juntos. La diferencia se expulsa hacia la superficie del Sol en forma de energía. Un gramo de materia solar libera tanta energía como la combustión de 2,5 millones de litros de gasolina.

La energía generada en el centro del Sol tarda un millón de años para alcanzar la superficie solar. Cada segundo se convierten 700 millones de toneladas de hidrógeno en cenizas de helio. En el proceso se liberan 5 millones de toneladas de energía pura; por lo cual, el Sol cada vez se vuelve más ligero.

Actividad solar

Todos hemos oido hablar de las manchas solares y de las protuberancias solares.

Las manchas son el lugar de fuertes campos magnéticos. La razón por la cual las manchas solares son frías no se entiende todavía, pero una posibilidad es que el campo magnético en las manchas no permite la convección debajo de ellas.

Las manchas solares generalmente crecen y duran desde varios días hasta varios meses. Las observaciones de las manchas solares reveló primero que el Sol rota en un período de 27 días (visto desde la Tierra).

El número de manchas solares en el Sol no es constante, y cambia en un período de 11 años conocido como el ciclo solar. La actividad solar está directamente relacionada con este ciclo.

Las protuberancias solares son enormes chorros de gas caliente expulsados desde la superficie del Sol, que se extienden a muchos miles de kilómetros. Las mayores llamaradas pueden durar varios meses.

El campo magnético del Sol desvía algunas protuberancias que forman así un gigantesco arco. Se producen en la cromosfera que está a unos 100.000 grados de temperatura.

Las protuberancias son fenómenos espectaculares. Aparecen en el limbo del Sol como nubes flameantes en la alta atmósfera y corona inferior y están formadas por nubes de materia a menor temperatura y mayor densidad que su entorno.

Las temperaturas en su parte central son, aproximadamente, una centésima parte de la temperatura de la corona, mientras que su densidad es unas 100 veces la de la corona ambiente. Por lo tanto, la presión del gas dentro de una protuberancia es aproximadamente igual a la de su alrededor..

El viento solar es un flujo de partículas cargadas, principalmente protones y electrones, que escapan de la atmósfera externa del sol a altas velocidades y penetran en el Sistema Solar.

Algunas de estas partículas cargadas quedan atrapadas en el campo magnético terrestre girando en espiral a lo largo de las líneas de fuerza de uno a otro polo magnético. Las auroras boreales y australes son el resultado de las interacciones de estas partículas con las moléculas de aire.

La velocidad del viento solar es de cerca de 400 kilómetros por segundo en las cercanías de la órbita de la Tierra. El punto donde el viento solar se encuentra que proviene de otras estrellas se llama heliopausa, y es el límite teórico del Sistema Solar. Se encuentra a unas 100 UA del Sol. El espacio dentro del límite de la heliopausa, conteniendo al Sol y al sistema solar, se denomina heliosfera.

Como evolucionará el sol

El Sol es más o menos de edad intermedia y no ha cambiado drásticamente desde hace más de cuatro mil millones de años, y seguirá siendo bastante estable durante otros cinco mil millones de años más. Sin embargo, después de que la fusión del hidrógeno en su núcleo se haya detenido, el Sol sufrirá cambios severos y se convertirá en una gigante roja. Se estima que el Sol se volverá lo suficientemente grande como para engullir las órbitas actuales de Mercurio y Venus y posiblemente la Tierra.

Dado que el Sol no es una estrella muy masiva, no explotará ni se convertirá en agujero negro, sino que comenzará a perder tamaño reduciéndose tanto hasta alcanzar un tamaño similar al de un planeta, a este tipo de estrella se le denomina “enana blanca”, será solo un poco más grande que la Tierra, sin embargo será aun tan masivo, capaz de concentrar varias toneladas por cada centímetro cúbico de su volumen, que los planetas restantes aún orbitarán a su alrededor.

Finalmente se ira apagando poco a poco hasta probablemente finalizar su etapa de vida como una “enana negra”, es decir, un cuerpo frío e invisible en el espacio, una estrella apagada.

Todo esto ocurre por que el sol consume todo su combustible. Primero el hidrógeno en Helio, luego el Helio, etc..

De tal forma que la fuerza de la gravedad no es suficiente para contrarrestar la presión ejercida por las reacciones nucleares. Por eso se expande en una gigante roja.

Queda pendiente en otra entrada del blog, explicar que son Gigantes rojas, novas, enanas blancas….

 

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).

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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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