Desde la invención de la tabla periódica hace 150 años este mes, los científicos han trabajado para completar las filas de elementos y dar sentido a sus propiedades.

Pero los investigadores también han llevado a cabo una búsqueda paralela:recorrer el cosmos para descubrir de dónde provienen los 118 elementos.

Después de siglos de esfuerzo, han determinado que la gran mayoría de elementos fueron forjados en las vidas ardientes y extrañas muertes de las estrellas. Ahora impregnan las galaxias, infundiendo diversidad química a la próxima generación de estrellas y planetas.

En efecto, todos los elementos de la Tierra, excepto unos pocos creados recientemente por humanos, fueron heredados de la nebulosa que dio origen a nuestro sistema solar hace 4.500 millones de años. Eso incluye el hierro en nuestros rascacielos el silicio en nuestras computadoras, el oro en nuestras joyas, y el calcio de nuestros huesos.

"Existe una conexión real entre nuestra galaxia, nuestro universo, y nuestra humanidad debido a los elementos". dijo John Cowan, astrofísico de la Universidad de Oklahoma.

Entonces, ¿cómo llenó la naturaleza la tabla periódica? La historia comienza por el principio.

El principio.

A los 15 minutos del Big Bang, los átomos de hidrógeno (número atómico 1) fusionaron la nube de partículas recién nacidas a medida que se expandía y enfriaba. Algunos de ellos se combinaron rápidamente para producir helio (número atómico 2).

Estos dos elementos todavía constituyen el 98 por ciento del universo, y son los ingredientes principales de las estrellas. Una astrónoma pionera llamada Cecilia Payne-Gaposchkin descubrió esto cuando publicó la primera estimación precisa de la composición del sol en 1925, anulando la creencia prevaleciente de que era similar a la de la Tierra.

Las primeras estrellas se formaron unos 100 millones de años después del Big Bang, dijo Jennifer Johnson, un astrónomo de la Universidad Estatal de Ohio que escribió una reseña de los orígenes elementales en la edición del viernes de Science para celebrar el sesquicentenario de la tabla periódica.

Estas estrellas eran masivas y durante millones de años, generaban energía "quemando" hidrógeno, combinando átomos en helio a través de la fusión nuclear como lo hace el sol en la actualidad.

Finalmente, sin embargo, todas las estrellas se quedan sin combustible de hidrógeno. Luego comienzan a hacer elementos cada vez más pesados ​​a un ritmo cada vez más frenético, poblar las siguientes tres filas de la tabla periódica en el proceso.

Por un momento, queman helio en carbono (número atómico 6) y oxígeno (número atómico 8). En los últimos siglos de la vida de una estrella masiva, convierte el carbono en elementos como sodio (número atómico 11) y magnesio (número atómico 12).

En las últimas semanas los átomos de oxígeno se fusionan en silicio (número atómico 14), fósforo (número atómico 15), y azufre (número atómico 16). Y en los últimos días de la larguísima vida de una estrella, produce metales como el hierro (número atómico 26).

Hay algo maravillosamente prosaico en eso, Johnson dijo. "Esa es una escala de tiempo humana".

Luego viene lo que los astrónomos llaman siniestramente la "catástrofe de hierro". La fusión no puede combinar elementos más pesados ​​que el hierro, por lo que la estrella se queda sin jugo de repente.

"Entra en caída libre, "Dijo Johnson.

En menos de un segundo la estrella colapsa sobre sí misma y luego explota como una supernova, arrojando sus elementos recién acuñados al universo.

Las supernovas también pueden desencadenar rayos cósmicos que rompen átomos más grandes para crear litio (número atómico 3), berilio (número atómico 4) y boro (número atómico 5). Este proceso es la principal fuente de estos elementos en el universo.

Que los elementos hasta el hierro se cocieron en las estrellas se ha establecido más o menos durante décadas, gracias al trabajo del astrónomo británico Fred Hoyle. El origen del resto de elementos ha sido más difícil de precisar.

El comienzo de una respuesta se produjo en un artículo histórico de 1957 escrito por la astrónoma de Caltech Margaret Burbidge y su esposo, Jorge, junto con Hoyle y otro destacado científico, William Fowler. (El papel, que comienza con las reflexiones de Shakespeare sobre las estrellas, desde entonces se ha vuelto tan famoso que los científicos simplemente se refieren a él como B2FH, por las iniciales de sus autores.)

Los elementos pesados ​​se forman cuando un átomo semilla como el carbono o el hierro es bombardeado con neutrones y los captura en su núcleo.

"Se los traga a todos, "dijo Anna Frebel, astrónomo del MIT. "Entonces la pregunta es, te gusta o no Y por lo general, no lo hace ". De modo que el átomo sufre una desintegración radiactiva, y finalmente emerge como un elemento más pesado y estable.

B2FH expuso la física de cómo este proceso podría ocurrir rápida o lentamente.

Un candidato obvio para el proceso rápido fue el caos de una supernova. Pero en los últimos años los científicos han comenzado a cuestionar esa idea. "Probablemente no haya suficiente empuje incluso en una explosión masiva de supernova para crear todos estos elementos, "Frebel dijo.

Parte de la evidencia proviene de la investigación de Frebel sobre una pequeña galaxia que contenía montones de oro y otros elementos pesados. Si todos ellos hubieran sido el resultado de supernovas, habría requerido tantos que "vas a volar la galaxia en pedazos, " ella dijo.

En lugar de, Los científicos han comenzado a favorecer un fenómeno diferente:las fusiones entre estrellas de neutrones.

Las estrellas de neutrones son esferas ultra densas que quedan tras la muerte de estrellas masivas. Pueden tener diámetros tan pequeños como 12 millas y masas de hasta 2,5 veces la del sol. De vez en cuando, dos de ellos se encierran en un tango mortal, girando en espiral uno hacia el otro hasta que chocan.

Estas fusiones liberan una lluvia de neutrones lo suficientemente intensa como para crear los elementos más pesados ​​del universo, como el uranio (número atómico 92) y el plutonio (número atómico 94).

Esta idea se reforzó en 2017, cuando el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser detectó una colisión de estrellas de neutrones por primera vez. Los investigadores estudiaron la luz de la explosión y encontraron huellas dactilares reveladoras de elementos pesados, incluido el oro.

Los científicos aún tienen que resolver los roles relativos de las fusiones de supervas y estrellas de neutrones. Pero Frebel dijo que los científicos están cada vez más cerca de comprender la fuente de cada elemento.

"Se ha cerrado la última gran brecha, "Ella dijo." Eso es simplemente agradable ".

Las primeras fusiones de estrellas de neutrones se produjeron después de la muerte de la primera generación de estrellas, y salpicaron el cosmos con toda clase de átomos nuevos.

Eso incluye algunos que son tan inestables que no existen en nuestro sistema solar hoy en día, excepto por unos pocos milisegundos en el laboratorio de un investigador.

"Zumba todo el camino a través de la tabla periódica, ", Dijo Johnson." Así que dentro de unos 200 millones de años después del Big Bang, has hecho algo de cada elemento ".

Pero la composición del universo siguió cambiando. Durante los próximos mil millones de años, nuevos procesos cósmicos comenzaron a impulsar la abundancia de ciertos elementos a medida que comenzaron a formarse estrellas más pequeñas.

Estas estrellas no son lo suficientemente grandes como para producir nada más pesado que carbono y oxígeno, o para explotar como supernovas masivas. En lugar de, cuando cese la fusión en sus núcleos, se descomponen en enanas blancas.

Las enanas blancas pueden chocar desencadenando un proceso de fusión descontrolado que convierte casi todo en la estrella en hierro. "Puedes crear básicamente una bomba de hierro, "Frebel dijo.

Antes de que, durante sus prolongadas muertes, algunas estrellas de baja masa también pueden incubar elementos pesados. Los neutrones que quedan de sus días de quema de helio se adhieren a los núcleos de otros elementos a una velocidad de aproximadamente uno cada pocas semanas o meses, construyendo gradualmente átomos más pesados ​​que recorren la tabla periódica.

Se necesitan más de 100 neutrones capturados para convertir un átomo de hierro en un elemento de tierras raras como el lantano (número atómico 57) o lutecio (número atómico 71). Sin embargo, hay muchas de estas estrellas, y se quedan por mucho tiempo, por lo que producen aproximadamente la mitad de los elementos más pesados ​​que el hierro.

Un astrónomo llamado Paul Merrill encontró evidencia de este proceso en 1951. Trabajando en el Observatorio Mount Wilson sobre Los Ángeles, identificó el elemento radiactivo tecnecio (número atómico 43) en un enfermo, estrella antigua.

Los científicos sabían que el tecnecio era inestable y se descomponía rápidamente. Eso significaba que no podría haber sido heredado por una estrella que ya tenía miles de millones de años, Merrill se dio cuenta. La única forma en que el elemento podría haber llegado allí era si la estrella lo hubiera hecho.

Hoy dia, 13.8 mil millones de años después del Big Bang, las estrellas han convertido aproximadamente el 2 por ciento del hidrógeno y el helio del universo en otros elementos.

Ahora existen en cantidades variables, dependiendo de la frecuencia y productividad de los procesos que los crean. Platino (número atómico 78), por ejemplo, es un millón de veces más raro que el hierro porque las fusiones de estrellas de neutrones no ocurren con mucha frecuencia. (Esa es una de las razones por las que los metales preciosos son preciosos, Dijo Cowan.)

La presencia de elementos como el carbono y el oxígeno ayudó a enfriar los rincones de la galaxia para que pudieran formarse estrellas más pequeñas como el sol. Y la aparición de metales permitió que los sistemas solares emergieran de los discos de gas y polvo que giraban alrededor de estas nuevas estrellas.

"Ahora hay suficiente basura en el disco para que puedas formar planetas, Johnson dijo. Cuanto más hierro en comparación con el hidrógeno, es más probable que encontremos un Júpiter ".

La creciente proporción de hierro a elementos como el oxígeno también aumentó las posibilidades de formar planetas rocosos con núcleos grandes. como la Tierra. (Los núcleos grandes pueden cumplir muchas funciones, incluida la generación de un campo magnético que protege la vida).

A medida que el universo envejece los elementos que contiene se volverán más pesados. Y en unos 10 billones de años, cuando la formación estelar haya desaparecido, su composición dejará de cambiar.

Existe un debate sobre cuánto hidrógeno quedará en ese punto. Johnson cree que quedará una buena cantidad en el medio intergaláctico, mientras que Frebel sospecha que la mayor parte se habrá transformado.

Pero seguirá existiendo en otro sentido, ella dijo, ya que todos los elementos son en realidad solo reordenamientos de los átomos de hidrógeno que se formaron en los primeros minutos después del Big Bang. Han estado dando vueltas por el cosmos desde entonces, en un elemento u otro. Algunos terminaron aquí en la Tierra donde lo inventan todo. Incluyéndonos a nosotros.

Al querido astrónomo Carl Sagan le gustaba decir que "estamos hechos de estrellas".

Eso no es todo, Fredel dijo:"También somos cosas del Big Bang".

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