Hace casi 70 años, El astrónomo Paul Merrill estaba mirando el cielo a través de un telescopio en el Observatorio Mount Wilson en Pasadena, California. Mientras observaba la luz proveniente de una estrella distante, vio firmas del elemento tecnecio.

Esto fue completamente inesperado. El tecnecio no tiene formas estables, es lo que los físicos llaman un elemento "artificial". Como dijo el propio Merrill con un poco de eufemismo, "Es sorprendente encontrar un elemento inestable en las estrellas".

Cualquier tecnecio presente cuando se formó la estrella debería haberse transformado en un elemento diferente, como el rutenio o el molibdeno, hace mucho tiempo. Como elemento artificial, alguien debió haber creado recientemente el tecnecio que detectó Merrill. Pero, ¿quién o qué pudo haber hecho eso en esta estrella?

El 2 de mayo 1952, Merrill informó sobre su descubrimiento en la revista Science. Entre las tres interpretaciones ofrecidas por Merrill estaba la respuesta:¡Las estrellas crean elementos pesados! Merrill no solo había explicado una observación desconcertante, también había abierto la puerta para comprender nuestros orígenes cósmicos. No muchos descubrimientos científicos cambiaron por completo nuestra visión del mundo, pero este sí lo hizo. La imagen recién revelada del universo era simplemente alucinante, y las repercusiones de este descubrimiento siguen impulsando la investigación en ciencia nuclear en la actualidad.

¿De dónde vienen los elementos?

A principios de la década de 1950, todavía no estaba claro cómo los elementos que componen nuestro universo, nuestro sistema solar, incluso nuestros cuerpos humanos, fueron creados. Inicialmente, el escenario más popular fue que todos se hicieron en el Big Bang.

Los primeros escenarios alternativos fueron desarrollados por científicos de renombre de la época, como Hans Bethe (Premio Nobel de Física, 1967), Carl Friedrich von Weizsäcker (Medalla Max-Plank, 1957), y Fred Hoyle (Medalla Real, 1974). Pero nadie había llegado a una teoría convincente sobre el origen de los elementos, hasta la observación de Paul Merrill.

El descubrimiento de Merrill marcó el nacimiento de un campo completamente nuevo:la nucleosíntesis estelar. Es el estudio de cómo los elementos, o más exactamente sus núcleos atómicos, se sintetizan en estrellas. Los científicos no tardaron mucho en comenzar a tratar de averiguar exactamente qué implicaba el proceso de síntesis de elementos en las estrellas. Aquí es donde tenía que entrar en juego la física nuclear, para ayudar a explicar la asombrosa observación de Merrill.

Fusión de núcleos en el corazón de una estrella

Ladrillo por ladrillo, elemento por elemento, Los procesos nucleares en las estrellas toman los abundantes átomos de hidrógeno y construyen elementos más pesados. desde helio y carbono hasta tecnecio y más.

Cuatro destacados físicos nucleares (astro) de la época trabajaron juntos, y en 1957 publicó la "Síntesis de los elementos en las estrellas":Margaret Burbidge (Premio Mundial de Ciencias Albert Einstein, 1988), Geoffrey Burbidge (Medalla Bruce, 1999), William Fowler (Premio Nobel de Física, 1983), y Fred Hoyle (Medalla Real, 1974). La publicación, conocido como B2FH, sigue siendo una referencia para describir los procesos astrofísicos en las estrellas. Al Cameron (Premio Hans Bethe, 2006) en el mismo año llegó de forma independiente a la misma teoría en su artículo "Reacciones nucleares en estrellas y nucleogénesis".

Aquí está la historia que armaron.

Las estrellas son pesadas. Uno pensaría que colapsarían completamente sobre sí mismos debido a su propia gravedad, pero no es así. Lo que evita este colapso son las reacciones de fusión nuclear que ocurren en el centro de la estrella.

Dentro de una estrella hay miles de millones y miles de millones de átomos. Están haciendo zoom por todas partes a veces chocando entre sí. Inicialmente la estrella está demasiado fría, y cuando los núcleos de los átomos chocan, simplemente rebotan entre sí. A medida que la estrella se comprime debido a su gravedad, aunque, la temperatura en su centro aumenta. En condiciones tan calurosas, ahora, cuando los núcleos chocan entre sí, tienen suficiente energía para fusionarse. Esto es lo que los físicos llaman reacción de fusión nuclear.

Estas reacciones nucleares tienen dos propósitos.

Primero, liberan energía que calienta la estrella, proporcionando la presión exterior que evita su colapso gravitacional y mantiene a la estrella en equilibrio durante miles de millones de años. Segundo, fusionan elementos ligeros en elementos más pesados. Y lentamente comenzando con hidrógeno y helio, las estrellas producirán el tecnecio que observó Merrill, el calcio de nuestros huesos y el oro de nuestras joyas.

Muchas reacciones nucleares diferentes son responsables de que todo esto suceda. Y son extremadamente difíciles de estudiar en el laboratorio porque los núcleos son difíciles de fusionar. Es por eso, durante más de seis décadas, Los físicos nucleares han continuado trabajando para controlar las reacciones nucleares que impulsan las estrellas.

Los astrofísicos aún desenredan los orígenes de los elementos

Hoy en día existen muchas más formas de observar las firmas de la creación de elementos en todo el universo.

Las estrellas muy antiguas registran la composición del universo en el momento de su formación. A medida que se encuentran más y más estrellas de diferentes edades, sus composiciones comienzan a contar la historia de la síntesis de elementos en nuestra galaxia, desde su formación poco después del Big Bang hasta la actualidad.

Y cuanto más aprenden los investigadores, cuanto más compleja se vuelve la imagen. En la ultima década, Las observaciones proporcionaron evidencia para una gama mucho más amplia de procesos de creación de elementos de lo previsto. Para algunos de estos procesos, ni siquiera sabemos todavía en qué tipo de estrellas o explosiones estelares ocurren. Pero los astrofísicos piensan que todos estos eventos estelares han contribuido con su característica mezcla de elementos a la nube de polvo arremolinada que finalmente se convirtió en nuestro sistema solar.

El ejemplo más reciente proviene de un evento de fusión de estrellas de neutrones seguido por observatorios gravitacionales y electromagnéticos de todo el mundo. Esta observación demuestra que incluso las estrellas de neutrones fusionadas hacen una gran contribución a la producción de elementos pesados ​​en el universo, en este caso los llamados Lantánidos que incluyen elementos como Terbio, Neodinio y disprosio utilizados en teléfonos móviles. Y al igual que en el momento del descubrimiento de Merrill, los científicos nucleares de todo el mundo están luchando, trabajando horas extras en sus aceleradores, para averiguar qué reacciones nucleares podrían explicar todas estas nuevas observaciones.

Los descubrimientos que cambian nuestra visión del mundo no ocurren todos los días. Pero cuando lo hacen pueden proporcionar más preguntas que respuestas. Se necesita mucho trabajo adicional para encontrar todas las piezas del nuevo rompecabezas científico, júntelos paso a paso y, finalmente, llegue a un nuevo entendimiento. Las observaciones astronómicas avanzadas con telescopios modernos continúan revelando cada vez más secretos ocultos en estrellas distantes. Las modernas instalaciones de aceleradores estudian las reacciones nucleares que crean elementos en las estrellas. Y sofisticados modelos de computadora lo combinan todo, tratando de recrear las partes del universo que vemos, mientras se acerca a los que aún se esconden hasta el próximo gran descubrimiento.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.