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Observatorio: Las estrellas y los elementos químicos

Observatorio: Las estrellas y los elementos químicos

Las estrellas
Las estrellas fueron observadas desde siempre por las especies homo y fueron muy importantes para las primeras culturas, por ejemplo, navegación, creencias místicas. Las estrellas estaban fijas en una esfera celeste y eran inmutables, pero observaron que algunas estrellas cambiaban de posición sobre el fondo fijo, la llamaron vagabundas o errantes (planeta en griego). Por convención y arbitrariamente, agruparon las estrellas en constelaciones uniéndolas por trazos imaginarios y creando figuras virtuales. Cada cultura lo hizo subjetivamente, además se observaban distintas estrellas según el lugar, al norte N o al sur S del ecuador terrestre.
Las cartas estelares más antiguas son egipcias (1534 aC), también de astrónomos babilónicos entre 1531 y 1155 aC. El catálogo de Hiparco (190 – 120 aC) tiene 1020 estrellas. Los griegos Anaxágoras (450 aC) y Aristarco de Samos (310-230 aC) propusieron que el Sol es una estrella y viceversa, las estrellas son soles. El sistema heliocéntrico fue propuesto por N.Copérnico en 1543 y G.Bruno en 1590 (quemado vivo en 1600). Tycho Brahe (1546-1601) fue el más grande observador del cielo a simple vista. Galileo Galilei (1564-1642) observó el cielo por primera vez con un telescopio en 1609.
La espectroscopía astronómica, dispersar y analizar la luz emitida por las estrellas, fue iniciada por J.von Fraunhofer (1787-1826), permitió detectar la composición química de las estrellas. En 1838 se mide por primera vez la distancia a una estrella (61 Cygni a 11,4 años luz aL) (1 año luz = 1 aL = distancia que recorre la luz en una año: 8,3 min del Sol, 4,3 aL la estrella más cercana Próxima Centauri). Después de1850 se descubren las estrellas dobles.
En el siglo XX se desarrolla la astrofísica. En 1925 se propone que las estrellas están formadas principalmente por hidrógeno H y helio He. Los espectros de las estrellas fueron comprendidos por los avances de la física cuántica y se descubrió la composición química de las estrellas.
En el Universo hay miles de millones de estrellas que se pueden clasificar en distintas clases o tipos según algunas de sus características.
Por ejemplo, según el color: rojas, azules amarillas (figura 2). El color y la temperatura están relacionados: las azules tienen temperaturas mayores a 30.000 oC, las amarillas aproximadamente 6.000 oC, las rojas aprox. 3.000 oC. Según el tamaño (figura 2), por ejemplo, super gigantes, medianas, enanas. También pueden ser estrellas dobles (figura 1) y simples. Hay más clasificaciones.
La figura 1 muestra a una estrella doble: Sirio A y abajo a la izquierda Sirio B. Foto del telescopio espacial Hubble. Sirio es la estrella más brillante del cielo nocturno.
La figura 2 muestra tamaños relativos con el Sol de algunas estrellas.

   
                    Figura 1: Sirio A y B                                                    Figura 2: tamaños relativos al Sol de algunas estrellas 

Después de 1850 se demostró que las estrellas y el Sol se habían formado hace miles de millones de años, pero ningún conocimiento, fenómeno o modelo científico del siglo XIX podía justificar la fuente de energía de las estrellas. Obviamente, era un fenómeno natural totalmente desconocido.
La ciencia del siglo XX descubrió la fuente de energía: la química nuclear.

Fuente de energía de las estrellas.
Las estrellas están formadas principalmente por núcleos atómicos de los elementos químicos hidrógeno 1H (protones p+) y de helio (2He2+). Emiten muy elevadas cantidades de radiaciones electromagnéticas visibles (luz) y no visibles, por ejemplo, rayos X, rayos gamma, y partículas.
Las fuentes de energía de las estrellas son fenómenos químicos nucleares: la fusión nuclear.
La fusión nuclear es un fenómeno químico entre núcleos atómicos de elementos químicos que  forman otros elementos químicos distintos.
La figura 3 muestra los fenómenos químicos nucleares en un tipo de estrella como el Sol.
La figura 4 muestra fusiones nucleares en un tipo de estrella con mayor masa que el Sol.

 

   

                                 Figura 3                                                                               Figura 4

Durante la fusión nuclear desaparece masa (variación de masa ∆m) y se produce una inmensa cantidad de energía (variación de energía ∆E) según la ley de equivalencia entre masa y energía de Einstein:   ∆E = ∆m . c2       [c es la velocidad de la luz (300.000 Km/s), luego la variación de energía ∆E para una ∆m pequeña es muy grande].
La fuente de energía de las estrellas es su masa.
Las estrellas aparecen, existen y desaparecen, se forman a partir de cenizas de estrellas desaparecidas (polvo cósmico), núcleos de hidrógeno (protones H+), otros elementos químicos y sustancias  dispersas en el inmenso Universo.

Los elementos químicos.
La alucinante historia de las estrellas justifica el origen de todos los elementos químicos y sustancias del Universo. Todos los átomos conocidos (naturales y artificiales) se encuentran clasificados, según propiedades químicas, en la Tabla Periódica de los Elementos Químicos EQ  (D.Mendeleiev, 1869, figura 8). En la Tierra se encuentran 90 elementos químicos naturales, el resto de la Tabla Periódica son EQ artificiales.
Una estrella aparece por acumulación de polvo cósmico, núcleos atómicos, moléculas, iones, átomos (restos de estrellas desaparecidas), aumenta la atracción gravitatoria, se juntan y comprimen, aumenta la temperatura del sistema y después de millones de años, en el centro del sistema comprimido la temperatura alcanza más de 10 millones de grados, se inician los fenómenos químicos nucleares de fusión y se enciende el “horno nuclear”, los núcleos de H (protones p+) se fusionan formando núcleos de helio He2+ (figura 3). Este fenómeno es expansivo, libera inmensas cantidades de energía, la fuente de energía es su masa, la expansión se equilibra con la compresión gravitatoria: “nace”, se enciende, aparece una estrella.
El Sol, la estrella más cercana a la Tierra, es una estrella mediana amarilla común, se formó hace 4.500 millones de años, su desaparición se producirá dentro de 5.000 millones de años por agotamiento de su fuente de energía, el hidrogeno H (figura 5). La temperatura T en el centro del Sol (“horno nuclear”) es de millones grados, la fusión nuclear consume H+, la luz que se forma en el centro tarda más de 100.000 años en llegar a la superficie que tiene una T de 6.000 grados.


                                                                                                        Figura 5

Los fenómenos químicos nucleares transforman el H en He (figura 3) y en otros elementos químicos. La composición del Sol es 92,1 % de H; 7,8 % de He; el 0,1 % restante es oxígeno O, carbono C y otros elementos químicos. Cuando se agota el H, la atracción gravitatoria prevalece y se forman algunos elementos químicos de la tabla periódica entre el carbono C y el hierro Fe.
En las etapas finales de una estrella antes de desaparecer se producen, según la masa que varía entre 0,1 y 100 veces la del Sol, varios fenómenos químicos nucleares (figura 8). Se forma, por ejemplo, una gigante roja, aumenta su volumen millones de veces, sus capas exteriores se dispersan por el espacio como cenizas (polvo cósmico). También se puede formar una enana blanca, o una estrella de neutrones, o una supernova: la estrella explota violentamente y expulsa materia. La figura 6 muestra evoluciones en las estrellas.
Los astrónomos chinos observaron en 185 la aparición de una estrella (supernova) que luego se apagó, en 1054 otra más grande y brillante, se veía aún de día, que luego desapareció. Actualmente los restos de esta supernova es la nebulosa del Cangrejo (figura 7), a aprox. 65 aL de distancia  y 6 aL de diámetro. Si estuviera en lugar del Sol, el sistema estelar más cercano a 4 aL (Centauro) estaría dentro de la nebulosa. En la nebulosa del Cangrejo hay muchos elementos químicos.

                                  Figura 6: evoluciones en estrellas                                                               Figura 7: nebulosa del Cangrejo por el Hubble

Cuando las estrellas se transforman en una gigante roja o supernova dispersan en el Universo parte de su masa que contiene elementos químicos y sustancias formadas por fenómenos químicos de fusión nuclear.
Todos los elementos químicos y las sustancias (polvo cósmico) son cenizas de las estrellas, se agrupan y reinicia el ciclo de aparición de una estrella, pero ya contienen muchos elementos químicos y alrededor de la estrella se pueden formar cuerpos: así se formó el Sol, la Tierra, los planetas y el Sistema Solar.
Esta fantástica y extraordinaria historia de las estrellas justifica el origen de todos los EQ, los átomos y las sustancias en el Universo, la Tierra y la especie homo: somos cenizas de las estrellas.
Los elementos químicos EQ y las sustancias (cenizas de estrellas) cumplen un ciclo:
* EQ (cenizas) → aparición → sistemas con y sin vida → desaparición → EQ → ………….
¡ Estamos formados por EQ que son cenizas de estrellas desaparecidas !!

La figura 8 muestra una Tabla Periódica con distintos fenómenos químicos nucleares en las estrellas que originan elementos químicos EQ. Un mismo EQ se puede originar por más de un fenómeno químico nuclear. Los elementos químicos EQ Be y B se forman por choques de los rayos cósmicos con partículas: espalación.
* Big Bang nucleosynthesis: fusión de núcleos atómicos en el Big Bang.
* Dying low-mass stars: estrellas de baja masa “moribundas”, desapareciendo.
* Exploding massive stars: Estallido (explosión) de estrellas de alta masa: supernova.
* Exploding white dwarfs: Estallido (explosión) de estrellas enanas blancas: supernova.
* Merging neutrón stars: fusión de estrellas de neutrones.

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