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Formación de los elementos químicos y la solución al enigma del Litio

 

“Esta publicación participa en el XII Carnaval de Geología alojado por El neutrino

Fred Hoyle, es un científico que se hizo famoso porque la mayoría de sus teorías estaban equivocadas, brillantemente equivocadas, sus trabajos eran tan minuciosos que los científicos tenían que trabajar mucho para demostrar que sus teorías eran incorrectas, eso hizo que la investigación avanzarán mucho para demostrar que eran incorrectas, sin embargo hubo dos trabajos que si funcionaron.

En 1946 Hoyle hace unos cálculos brillantes, que demuestran que en el corazón de las estrellas gigantes tiene que haber una temperatura increíble, llamada nucleosíntesis estelar.

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Estatua dedicada a Fred Hoyle. https://es.wikipedia.org/wiki/Fred_Hoyle

En el centro del Sol, los cálculos basados en el nuevo entendimiento de como funcionan los átomos indicaban que la temperatura tenía que  superior a 10 millones de grados.

Una cosa que aprendimos gracias en buena parte a Albert Einstein, es que la temperatura es una medida promedio de la velocidad con la que se mueven las partículas atómicas, si  observamos  los átomos,  vemos que se mueven a mayor velocidad, según vamos calentando los  átomos.

A una temperatura de 10 millones de grados centígrados ocurren varias cosas.

Los electrones que están pegados a los átomos pero no con demasiada fuerza ,  empiezan a golpearse unos con otros porque tiene mucha  temperatura y los electrones se desprenden del núcleo atómico  , cuando estos núcleos atómicos sin electrones, se acercan unos a otros se repelen por tener cargas eléctricas iguales, si la temperatura es muy elevada como ocurre en el núcleo de las estrellas, la velocidad de acercamiento de dos átomos de hidrógeno es tan grande que no pueden apartarse uno del  otro por la repulsión eléctrica antes de chocar, y cuando estás partículas que se están repeliendo por tener cargas positivas aparece una fuerza muy intensa que hacen que se unan, llamada fuerza nuclear fuerte.

Si esto pasa con cuatro núcleos atómicos, sucede una serie de reacciones  que hacen que dos de esos protones  se convierta en neutrones y el resultado final es el núcleo de un átomo de helio, que tiene dos protones positivos y dos neutrones neutros.

La explicación de Hans Bethe, sobre el origen de los elementos químicos y el funcionamiento  del núcleo del Sol, resultó iluminador para los científicos, cuando descubre este fenómeno de pronto revela como es posible que  la tierra podría ser muy vieja. Con Hans Bethe desaparece el problema, al describir el proceso que libera energía en el Sol cuando fundimos cuatro átomos de hidrógeno para generar helio liberamos una energía  brutal, con poco hidrógeno que se funda liberamos una energía tremenda y el Sol que es muy grande lleno de hidrógeno  podría brillar por millones de años, y que la tierra podría entonces ser muy vieja y aun así contar con las condiciones apropiadas para la vida. Esto por supuesto vino a dar al traste con las ideas teológicas que había hasta ese momento.

En la década de los veinte ya estaba claro que la teoría de la relatividad exigía un origen del universo se hacía imprescindible  que el universo tenía que tener un origen, y estaba evolucionando como consecuencia de la teoría  general de la relatividad, eso se significaba que la materia misma tiene que evolucionar. Se decía que al principio de la historia del universo existían elementos químicos muy simples, hidrógeno, helio un poco de litio y berilio solamente los demás elemento de la tabla periódica no existían en ninguna parte del universo  a los pocos minutos después del nacimiento del universo, esto planteaba otra pregunta  de dónde vienen el hierro, carbono, azufre, neón todos los demás elementos de la tabla periódica.

Ya había algunos que sospechaban que las estrellas  podrían ser las responsables de la creación de estos elementos, pero aun nadie había  podido demostrar con precisión  un proceso que pueda servir para demostrar como nacen los elementos químicos del universo. Hasta que llega Fred Hoyle, y publica en 1946 un trabajo brillante y preciso que demuestra que en núcleo de las estrellas muy grandes  la temperatura va creciendo poco a poco hasta alcanzar unos valores espectaculares.

A una temperatura de unos 10 millones de grados centígrados y con la presión que hay en el núcleo del Sol, la probabilidad de que dos átomos de hidrógenos se encuentre y se funda es más o menos probable, el número de estas reacciones  que suceden por segundo no es muy grande pero si suficiente para liberar una gran cantidad de energía para mantener al Sol brillando, hay que agradecer que no sea demasiado alta porque de otra manera muchos átomo de hidrógeno se estarían fundiendo para formar helio y el Sol tendría un núcleo rico en helio, y los cálculos dicen que cuando eso ocurra el proceso que genera energía en el núcleo del Sol se va a detener y el núcleo empezará a comprimirse pero nunca alcanzará que los átomos de helio se empiecen a fundir para general otros elementos químicos.

¿Por qué ocurre esto?  El que dos  átomos de hidrógeno se  puedan llegar a unir se necesita de una cierta temperatura, para vencer  la repulsión eléctrica entre dos núcleos de hidrógeno que cada uno de ellos tiene ,una partícula positiva se necesita una cierta velocidad mínima es decir temperatura, recordad que temperatura es la velocidad con se mueven las partículas en un gas, para que esos átomos cuando chocan de enfrente se queden pegados, en cambio los átomos de helio tienen dos partículas positivas cada uno, si queremos que dos átomos de helio queden unidos necesitamos vencer la repulsión eléctrica entre  cuatro partículas positivas dos para cada núcleo atómico, la cantidad de repulsión eléctrica entre átomos de helio es dos veces mayor que la repulsión eléctrica que encontramos entre dos átomo de hidrógeno. Con la temperatura que hay en Sol  no existe la posibilidad que dos átomos de helio se unan para formar otros átomos más pesados. El Sol nunca podrá generar elementos químicos más pesados que el helio, es una estrella demasiado pequeña para que alguna vez en su núcleo exista la presión suficiente para iniciar la fusión del helio.

Pero Hoyle dice que hay estrellas mucho más grandes que el Sol, en esas estrellas la presión en el núcleo  tiene que ser enorme.

Según los cálculos sugieren que cuando en el núcleo del Sol exista aproximadamente un 12% de helio, ese poco helio va a ser suficiente para bajar el ritmo de fusión de  las reacciones nucleares del Sol, una vez que esas reacciones empiecen a bajar  el núcleo se va a empezar a enfriar y eso a su vez hace que el núcleo se colapse y eso iniciara el proceso desestabilizador  que en unos centenares  de miles de años  acabe por matar al Sol después de 9000 millones de años de existencia.

<p>Explosión clásica de una nova. Credit: National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ)</p>

Explosión clásica de una nova. Credit: National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) http://www.efefuturo.com/noticia/origen-litio-explosion-estelar/

Cuando en el centro de una estrella grande exista un 12% de helio el núcleo de la estrella deja de emitir energía  empieza a enfriarse y el núcleo se colapse, a diferencia de lo que pasa en el Sol, el enorme peso de la estrella  gigante hace que la presión en el centro de la estrella rebasa un cierto límite crítico cuando eso ocurre los átomos de helio cuando se encuentren de frente y se unan,( cosa que en el Sol nunca generaría esa presión suficiente), los átomos de helio se unan y formen átomos más grande carbono, nitrógeno, oxígeno.

Fred Hoyle, empieza hacer sus cálculos y demuestra que si una estrella es lo suficientemente grande, el núcleo de la estrellas siempre va a estar generando elementos químicos muy pesados. El núcleo de la estrella está hecho como capas, la capa exterior  del núcleo va a estar hecha de una zona donde los átomos de hidrógenos se están fundiendo para  generar átomos de helio, algunos de esos átomos de helio penetran hacía el centro de la estrella, en la siguiente capa algo más cerca del núcleo, los átomos de helio  se están fundiendo para generar carbono, nitrógeno, oxigeno. Si la estrella es lo suficientemente grande puede llegar a tener varias capas, en donde los elementos químicos que se formaron en la capa exterior, se funde en elemento más pesados y así se van penetrando en capas inferiores.

Conclusión en la capa exterior se funde el nitrógeno en helio, este helio penetra  a la siguiente capa donde se forman, carbono, nitrógeno, oxigeno, esta a su vez penetra a la siguiente capa, en donde se genera otros elementos químicos; silicio, azufre, cloro, argón, sodio, potasio, calcio, escandio, titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel.

Capas de combustión en una estrella agonizante en sus últimos momentos antes del colapso final. https://es.wikipedia.org/wiki/Nucleos%C3%ADntesis_estelar

En las estrellas grandes hay varias capas alrededor del núcleo de las estrellas en donde ocurre el proceso de transmutación de los elementos .Para transmutar elementos lo único que hace falta es una presión y temperatura muy grandes.

Fred Hoyle, lo que demuestra que en núcleo de las estrellas muy grandes, se pueden formar varios elementos químicos diferentes pero no todos.

Pongamos el ejemplo del helio, el helio tiene dos partículas positivas y dos neutras en el centro de una estrella donde la presión es suficientemente grande, los átomos de helio chocan unos con otros, cuando chocan dos átomos de helio se forma un átomo que tiene cuatro partículas positivas en el núcleo y varias partículas neutras alrededor, pueden chocar dos, tres e incluso cuatro átomos de helio, para formar átomos más estables, si vemos el número atómico del carbono, nitrógeno e oxigeno comprobaremos  que estos tres átomos son múltiplos del núcleo del átomo del helio. Para fusionar átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno lo que necesitamos es tomar dos, tres o cuatros y hacerlo chocar de frente para generar átomos  más pesados, no es necesario que choquen simultáneamente, puede chocar un átomo de helio luego otro y después otro, según los cálculos esto es lo que ocurre en estrellas muy grandes. De esta forma ya hemos logrado formar elementos químicos más pesados que el hidrógeno, pero siempre como múltiplos del átomo del helio. Hay elementos químicos que tienen números impares de protones, que no se forman con el primer proceso que fue descrito por Fred Hoyle.  Gracias al trabajo de esta persona empezamos a entender como es posible que exista el carbono, nitrógeno, oxígeno y muchos de los elementos químicos, <<pero no todos>>, algunos elementos químicos no se podían crear con el primer proceso que describió Fred Hoyle, aunque por suerte no fue el único trabajo que realizó.

Cuando explota una supernova, durante un tiempo muy breve del núcleo de la estrella está saliendo entre otras cosas un montón de átomos hechos pedazos, el proceso que hace que detone una supernova, rompe a los núcleos atómicos del mismo y  para romper el núcleo se necesita una cantidad de energía inimaginable, cuando sucede la detonación de la supernova uno de los primeros síntomas una buena parte del núcleo de la estrella, se convierte en neutrones y esos neutrones salen esparcidos en todas las direcciones, los átomos que hay cerca del núcleo de la estrella que explota son sometidos a una lluvia de neutrones con una energía enorme, los neutrones no tienen carga eléctricas, así resulta que cuando un neutrón se acerca aún átomo no hay fuerza que lo desvíe. En poco tiempo durante la detonación de la supernova muchos núcleos atómicos son bañados con neutrones, si tenemos un átomo de helio se le pegan veinte neutrones, ahora bien los neutrones son muy inestables, necesitan tener protones cerca para estar estables, de otra manera al poco tiempo los neutrones sueltos o los pegados en un núcleo atómico que tiene muchos neutrones y pocos protones, se vuelven inestables y revientan, se genera un proceso de radioactividad.

Inmediatamente después de la detonación de una supernova una buena parte del material de la estrella es bañado con neutrones y todos los átomos quedan sobrecargados con neutrones, al cabo de poco tiempo esos átomos se vuelven radioactivos. Si tenemos un átomo de helio y ese átomo de helio por decir algo capturo seis neutrones de más, esos seis neutrones se van a convertir en protones y van arrojar electrones al aire, tendremos un átomo de helio que de pronto se vuelve muy radioactivo y empieza a emitir electrones con gran energía. Estos átomos de helio que capturaron neutrones de más al cabo de un tiempo corto se convierte en oxígeno, esos átomos de helio arrancaron con dos protones positivos y seis neutrones de más, esos neutrones se acaban convirtiendo en protones y acabamos con un núcleo de un átomo que tiene ahora ocho partículas con carga eléctrica positiva ese núcleo es de oxígeno, esto por supuesto es simplificando mucho la cosa.

Este proceso de captura de neutrones, que existen dos modalidades el de captura lenta y rápida, permite explicar casi todos los elementos químicos de  la tabla periódica en estrellas que explotan, de esta forma podemos explicar casi perfecta  la explicación de la evolución de la materia desde el big bang.

Ahora bien los científicos empiezan a decir con bastante confianza, cual es la abundancia de casi todos los elemento químicos de la tabla periódica, y casi todos coinciden con los elementos químicos de la tabla periódicas, todos menos uno. El litio no se ajusta a los cálculos del Hoyle, se sabe que se creó una pequeña cantidad de litio cuando nació el universo, pero también se sabe que en la historia del universo se tenía que haber formado más litio,  se ponen a calcular cuánto litio hay en el universo , encontramos que el litio, es más abundante que los cálculos sugiere, tiene que haber algún mecanismo que genera litio en el universo que no entendemos, eso sí, para que una teoría científica funcione, tiene que coincidir en todo, en los detalles se encuentra el diablo.

Si resulta que no podemos explicar, el origen de todos los elementos químicos  partiendo de la teoría del big bang, habría que tirar la teoría del big bang a la basura y eso implica casi tirar la teoría de la relatividad a la basura, esto desde luego era muy inquietante para los científicos, y esto era por no encontrar la manera de explicar el origen del litio, los astrónomos son capaces de calcular con bastante precisión cuánto litio esperan encontrar en el universo temprano, y consecuentemente, deducir cuánto debería haber en estrellas viejas Pero ahí está el problema del litio: los números no coinciden ya que hay unas tres veces menos litio en las estrellas de lo esperado. Y es un problema que está sin resolver.  ¿Por qué?

Cúmulo Messier 54

Mapa que muestra la ubicación del cúmulo Messier 54, señalado con un círculo rojo | Foto: Mapa que muestra la ubicación del cúmulo Messier 54, señalado con un círculo rojo http://www.cienciaxplora.com/astronomia/solucion-enigma-litio-pasa-fuera-via-lactea_2014091000064.html

El trabajo presentado recientemente en la revista nature, como una comunicación breve, supongo que luego vendrá una comunicación más grande, es muy importante porque este trabajo revela que en cierto tipo de explosiones de supernova, y es aquí donde entra en juego Messier 54, se ha detectado una cierta cantidad de  berilio radioactivo con una vida media de 53 días que luego se convierte en litio, y esto es crucial para entender la abundancia actual de berilio, si consideramos que cada X supernovas que explotan , suelta una gran cantidad de berilio, se empiezan hacer cálculos y entre los procesos que describe Fred Hoyle del origen del berilio, y este caso especial de esta supernovas raras que no conocíamos hasta hace poco por el trabajo de estos investigadores, ya sale los cálculos con respecto de la cantidad de berilio que hay en universo, ya podemos entender porque vemos una cierta cantidad de berilio que son diferentes a los cálculos originales de Fred Hoyle, hay un tipo de supernovas que no habíamos considerado que cuando explota inyecta mucho berilio. Considerando el número de supernovas desde el origen de nuestra galaxia, hasta ahora se puede explicar porque existe la cantidad de berilio que existe ahora en nuestra galaxia, así que el detallito que faltaba acaba de ser cubierto en este trabajo.

Y terminando como dijo Carl Sagan; somos polvos de estrellas.

Ciencia Xplora

La Razón

EFE Futuro

El explicador 1/04/2015

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Isaac Newton

ISAAC NEWTON

Isaac Newton (1642-1727) fue un matemático y físico británico, considerado como uno de los más grandes científicos de la historia, que hizo importantes aportaciones en muchos campos de la ciencia. Sus descubrimientos y teorías sirvieron de base a la mayor parte de los avances científicos desarrollados desde su época. Newton fue junto al matemático alemán Gottfried Wilhelm Leibniz uno de los inventores de la rama de las matemáticas denominada cálculo. También resolvió cuestiones relativas a la luz y la óptica, formuló las leyes del movimiento y dedujo a partir de ellas la ley de la gravitación universal.

Efecto de la rotación

La fuerza de la gravedad que experimenta un objeto no es la misma en todos los lugares de la superficie terrestre, principalmente debido a la rotación de la Tierra. La fuerza de la gravedad que se mide es en realidad una combinación de la fuerza gravitatoria debida a la atracción terrestre y una fuerza centrífuga opuesta debida a la rotación de la Tierra. En el ecuador, la fuerza centrífuga es relativamente elevada, lo que hace que la gravedad que se mide sea relativamente baja; en los polos, la fuerza centrífuga es nula, con lo que la gravedad que se mide es relativamente elevada. En el uso corriente, el término fuerza de la gravedad significa en realidad una combinación de las fuerzas gravitatoria y centrífuga.

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