martes, 23 de junio de 2020

Química en estado puro durante la muerte de una estrella - Marcelino Agúndez Chico

9.2
Química en estado puro durante la muerte de una estrella.
Las vidas de las estrellas.





El título del capítulo de Cosmos “Las vidas de las estrellas” es ciertamente afortunado. Las estrellas tienen realmente una vida propia. Al igual que los seres vivos, nacen, viven, y mueren. Bien, obviamente una estrella no responde a los estándares de vida que conocemos. Las estrellas habitualmente no se reproducen durante su vida. Sin embargo, incluso en esto, el zoo del Cosmos es tan ocurrente que se ha sugerido que la colisión de dos estrellas enanas blancas poco masivas podría dar lugar al nacimiento de una nueva estrella [1].
          ¿Qué ocurre con las estrellas cuando mueren? Cantaba el poeta Joan Manuel Serrat “Mi cuerpo será camino, le daré verde a los pinos y amarillo a la genista”. A las estrellas les ocurre algo parecido. Al final de su vida, devolverán gran parte de la materia de la que están formadas al medio que las vio nacer, que no es otro que el medio interestelar. Y esa materia servirá para que una nueva generación de estrellas, con sus planetas y otros cuerpos menores rocosos, pueda formarse. Una particularidad que solo atañe a las estrellas es que los átomos devueltos al medio interestelar no son los mismos que estaban inicialmente presentes cuando la estrella nació. Durante la vida de una estrella, los procesos de fusión nuclear que ocurren en su interior van convirtiendo átomos de hidrógeno y helio en átomos más pesados como carbono, nitrógeno, oxígeno, magnesio, o hierro. ¡La transmutación de los elementos químicos, el sueño de los alquimistas! De esta forma, las estrellas van progresivamente enriqueciendo el Cosmos en metales1 generación tras generación. Se estima que al Sol aún le quedan unos 5000 millones de años de vida. Tras este tiempo, Carl Sagan nos contaba en el capítulo 9 de Cosmos que existirá un último día perfecto en la Tierra. Tras ese día el Sol comenzará a convertirse en una estrella gigante roja, engullendo probablemente a la Tierra, y en cualquier caso haciendo imposible la vida en nuestro querido planeta. Triste, pero todo tiene su fin. Durante la fase de gigante roja, el Sol devolverá al medio interestelar gran parte de la materia que en su día tomó, ahora enriquecida en metales, para que nuevas estrellas puedan formarse.

Imagen de la emisión del polvo de la envoltura circunestelar IRC+10216. 
(Crédito: Izan Leão, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Brasil).

Las estrellas masivas terminan su vida como supernovas, expulsando materia mediante una violenta explosión. Las estrellas como el Sol, que son la mayor parte, se convierten en gigantes rojas tras agotar el hidrógeno en el núcleo. El cambio más espectacular concierne al tamaño, que aumenta unas mil veces. La superficie del Sol durante esta fase se situará seguramente en algún lugar entre las órbitas actuales de la Tierra y Júpiter. Durante esta fase de gigante roja, las estrellas desarrollan un suave viento que va vertiendo poco a poco materia de la estrella al medio interestelar. Tras unos pocos miles de años, el viento estelar isótropo habrá dado lugar a una envoltura esférica en torno a la gigante roja (véase la Figura). Esta fase puede durar algunos miles de años, tras los cuales la estrella habrá devuelto una importante fracción de su masa al medio interestelar. Esta es la principal forma en que el medio interestelar se recicla con nuevo material.
          ¿En qué estado devuelven las estrellas la materia al medio interestelar? Las envolturas circunestelares en torno a gigantes rojas están formadas por moléculas en fase gas y por diminutos granos de polvo con tamaños del orden de 0.1 mm. En realidad, estas regiones son auténticos laboratorios químicos donde se forman in situ todo tipo de moléculas de complejidad dispar. Algunas de ellas son realmente exóticas para los estándares terrestres. De hecho, son varias las moléculas que se han descubierto antes en envolturas de gigantes rojas que en la Tierra [2]. Algo parecido a lo ocurrido con el helio, descubierto en el Sol antes que en la Tierra allá por el año 1868. Realmente, el Cosmos es un inmenso laboratorio químico que nos permite trascender la química que conocemos en La Tierra. Los granos de polvo, compuestos por silicatos y material carbonáceo, tan solo constituyen el 1 % en masa, pero su presencia tiene consecuencias muy importantes para la evolución física y química del medio interestelar. Por una parte, los granos de polvo absorben de forma muy eficiente la radiación ultravioleta, lo que permite que las moléculas sobrevivan sin ser fotodisociadas en nubes interestelares densas. Por otra, la superficie de los granos de polvo es un excelente catalizador que permite la síntesis interestelar de moléculas que van desde el hidrógeno molecular (H2), la molécula más abundante en el Universo y cuya formación en fase gas es extremadamente ineficiente, hasta complejas moléculas orgánicas con interés prebiótico.
En el gran laboratorio químico que es una envoltura circunestelar, todo comienza en las inmediaciones de la estrella gigante roja, donde las primeras moléculas se forman in situ a partir de la recombinación de átomos. Aquí comienza realmente la Química en mayúsculas, con la formación de los primeros enlaces químicos. Las condiciones físicas en estas regiones, con temperaturas de 2000-3000 ºC y presiones unas 10,000 veces menores que en nuestra atmósfera, hacen que las reacciones químicas, incluso aquellas que son endotérmicas o poseen barreras de activación, ocurran muy rápidamente. Esto hace que la composición química tienda rápidamente a una situación de equilibrio termodinámico o termoquímico, en la que dominan las moléculas más estables. Observaciones radioastronómicas confirman que efectivamente la composición química en las zonas internas de envolturas circunestelares está regulada en gran medida por el equilibrio termoquímico. En los últimos años, sin embargo, se han encontrado discrepancias muy serias entre predicciones y observaciones. Por ejemplo, se ha observado vapor de agua en torno a estrellas ricas en carbono (en las que la relación C/O es superior a uno) con abundancias varios órdenes de magnitud por encima de lo esperado [3]. Aún no comprendemos bien qué procesos químicos tienen lugar en las inmediaciones de las gigantes rojas que producen de forma selectiva ciertas moléculas con abundancias muy superiores a las que se esperarían en condiciones de equilibrio termoquímico. Las inmediaciones de estrellas gigantes rojas son también la principal fábrica de granos de polvo que existe en el Cosmos. Esto es, la mayor parte de los granos de polvo presentes en el medio interestelar de cualquier galaxia se ha formado en algún momento alrededor de una estrella gigante roja. Al alejarnos un poco de la estrella, cuando la temperatura disminuye por debajo de unos 1000 ºC, los elementos con mayor carácter refractario comienzan a condensar en forma sólida dando lugar a los primeros granos de polvo. El proceso que va desde moléculas de unos pocos átomos hasta granos de polvo compuestos por unos 1000 millones de átomos es enormemente complejo, aunque los primeros pasos deberían consistir en el ensamblaje de moléculas sencillas para formar clústeres de tamaño intermedio. A día de hoy desconocemos cómo ocurre el proceso de ensamblaje que inicia la formación de los granos de polvo.
El desconocimiento de los procesos químicos que ocurren en las inmediaciones de las gigantes rojas ha estado limitado en gran medida por la falta de instrumentos con la resolución angular necesaria. Recientemente se ha puesto en marcha un instrumento que va a cambiar esto. Se trata de ALMA, un conjunto de 66 radiotelescopios situado en el desierto de Atacama, en Chile, que utiliza técnicas de interferometría que permiten resolver estrellas gigantes rojas y acceder a los procesos que ocurren en sus inmediaciones. Las primeras observaciones ya han permitido observar una gran cantidad de líneas espectrales que no ha sido posible identificar y que seguramente sean debidas a moléculas que intervienen en la formación de los granos de polvo [4].
          La materia que una gigante roja expulsa se embarcará en un aventurado viaje por el medio interestelar para eventualmente incorporarse a una estrella o a un planeta en un nuevo sistema solar. En este viaje, gran parte de la materia será fuertemente procesada químicamente mediante rayos cósmicos y fotones ultravioletas. Moléculas de gran tamaño, como fulerenos e hidrocarburos policíclicos aromáticos, y granos de polvo son más resistentes a la radiación ultravioleta, y podrán resistir mejor el viaje. De hecho, se han encontrado granos cuyo origen se remonta a una estrella gigante roja en meteoritos de nuestro sistema solar, lo que indica que estos granos han sobrevivido intactos su viaje interestelar. El destino de la materia vertida por estrellas moribundas no es otro que construir nuevas estrellas y planetas, cerrando así el ciclo de vida de la materia en el Cosmos.

Notas:
1 En astronomía, el término metal se refiere a cualquier elemento químico más pesado que el helio.

Referencias:
[1] M. Kilic, W. R. Brown, J. J. Hermes, C. Allende Prieto, S. J. Kenyon, D. E. Winget, K. I. Winget, 2011, SDSS J163030.58+423305.8: a 40-min orbital period detached White dwarf binary, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 418, L157. doi:10.1111/j.1745-3933.2011.01165.x. Ver reseña en https://www.space.com/11630-dying-stars-collision-baby-star.html.
[2] J. Cernicharo, C. Cabezas, J. R. Pardo, M. Agúndez, C. Bermúdez, y 8 coautores más, 2019, Discovery of two new magnesium-bearing species in IRC+10216: MgC3N and MgC4H, Astronomy and Astrophysics, 630, L2. doi:10.1051/0004-6361/201936372.
[3] L. Decin, M. Agúndez, M. J. Barlow, F. Daniel, J. Cernicharo, y 32 coautores más, 2010, Warm water vapour in the sooty outflow from a luminous carbon star, Nature, 467, 64. doi:10.1038/nature09344.
[4] J. Cernicharo, F. Daniel, A. Castro-Carrizo, M. Agúndez, N. Marcelino, C. Joblin, J. R. Goicoechea, M. Guélin, 2013, Unvelining the dust nucleation zone of IRC+10216 with ALMA, The Astrophysical Journal Letters, 778, L25. doi:10.1088/2041-8205/778/2/L25.

Marcelino Agúndez Chico.
Doctor en Astrofísica.
Investigador Ramón y Cajal. Instituto de Física Fundamental, CSIC, Madrid.


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