Cómo se forman los elementos químicos en el universo
En la fotosfera, podemos observar las propiedades, elementos y características espectrales presentes en las… [capas más externas del Sol. Es posible que las primeras estrellas no tuvieran los mismos elementos que nuestro Sol, ya que sólo contaron con el Big Bang para crear sus bloques de construcción, en lugar de contar también con generaciones anteriores de estrellas.
Desde los primeros momentos del Big Bang hasta nuestros días, la historia cósmica de cómo nuestro Universo evolucionó hasta llenarse de estrellas, galaxias y todo lo que podemos ver y detectar es un relato que nos une a todos. Aunque comenzamos en un estado increíblemente caliente y denso, el Universo se expandió. Esa expansión esparce todo en el Universo, reduce su energía y temperatura, y obliga a las partículas a interactuar, decaer y congelarse.
Cuando el Universo tiene 3 segundos, ya no hay quarks libres; ya no hay antimateria; los neutrinos ya no colisionan ni interactúan con ninguna de las partículas restantes. Tenemos más materia que antimateria, más de mil millones de fotones por cada protón o neutrón, y el Universo tiene algo menos de 10.000 millones de K de temperatura. Pero aún no puede fabricar elementos. He aquí cómo se produce ese paso.
Cuáles fueron los primeros elementos tras el big bang
La historia del hidrógeno -el elemento que llena el mundo tal y como lo conocemos- consta de una serie de acontecimientos de lo más dramáticos. Los átomos de hidrógeno y helio surgieron apenas 379.000 años después del Big Bang. Cuando el plasma caliente y denso de protones, electrones y fotones que formaba el universo empezó a enfriarse y expandirse, los electrones y protones se juntaron para formar átomos. Cuatrocientos millones de años más tarde, las estrellas -como nuestro propio Sol- evolucionaron a partir de nubes de hidrógeno gaseoso que colapsaron gravitacionalmente, proporcionando el calor necesario para mantener la vida en un abismo cósmico gigante y helado a 2,7 kelvin. El tercer avance colosal en la historia del hidrógeno se produjo hace unos 4.400 millones de años, cuando la temperatura de la Tierra descendió por debajo de los 100 °C y el óxido de dihidrógeno comenzó a condensarse en su superficie, permitiendo la aparición de la vida en el nuevo entorno acuoso.Hoy en día se calcula que el hidrógeno representa el 90% de todos los átomos del universo, y es esencial para el mundo material. Esto nos incluye a nosotros mismos: cerca de dos tercios de los átomos de nuestro cuerpo son hidrógeno. El primer elemento de la tabla periódica no es en absoluto una masa improductiva, sino un excelente combustible químico. La atmósfera de la Tierra primitiva era rica en hidrógeno, y las enzimas bacterianas llamadas hidrogenasas evolucionaron para generar energía a partir del H2 molecular o H2O (ref. 1). Los microorganismos proliferaron en condiciones reductoras y muchos de ellos han sobrevivido gracias al hidrógeno.
¿Por qué el hidrógeno y el helio fueron los primeros elementos?
Aproximadamente el 73% de la masa del universo visible se encuentra en forma de hidrógeno. El helio constituye alrededor del 25% de la masa, y todo lo demás representa sólo el 2%. Aunque la abundancia de estos elementos más masivos («pesados», A > 4) parece bastante baja, es importante recordar que la mayoría de los átomos de nuestros cuerpos y de la Tierra forman parte de esta pequeña porción de la materia del universo. Los elementos de baja masa, el hidrógeno y el helio, se produjeron en las condiciones calientes y densas del nacimiento del propio universo. El nacimiento, la vida y la muerte de una estrella se describen en términos de reacciones nucleares. Los elementos químicos que componen la materia que observamos en todo el universo se crearon en estas reacciones.
Hace aproximadamente 15.000 millones de años, el universo comenzó como una región extremadamente caliente y densa de energía radiante, el Big Bang. Inmediatamente después de su formación, comenzó a expandirse y enfriarse. La energía radiante produjo quarks-antiquarks y electrones-positrones, y otros pares partícula-antipartícula. Sin embargo, al colisionar las partículas y antipartículas en el gas de alta energía, se aniquilaban y volvían a convertirse en energía electromagnética. A medida que el universo se expandía, la energía media de la radiación disminuía. La creación y aniquilación de partículas continuó hasta que la temperatura se enfrió lo suficiente como para que la creación de pares dejara de ser energéticamente posible.
¿Cuándo se pensó en crear los primeros elementos reconocibles?
R: Inmediatamente (mucho menos de un segundo) después del Big Bang, el universo estaba demasiado caliente y era demasiado denso para que se formaran elementos. El hidrógeno no apareció hasta que el universo se dispersó -y posteriormente se enfrió- lo suficiente como para que se formaran los primeros protones y neutrones y, más tarde, los átomos simples.
Entre 10-12 y 10-6 segundos después del Big Bang se formaron los neutrinos, los quarks y los electrones. Los protones y neutrones comenzaron a formarse poco después, entre 10-6 y 1 segundo después del Big Bang. Unos 3 minutos después del Big Bang, las condiciones se enfriaron lo suficiente como para que estos protones y neutrones formaran núcleos de hidrógeno. Esto se conoce como la era de la nucleosíntesis. Algunos de estos núcleos también se combinaron para formar helio, aunque en cantidades mucho menores (sólo un pequeño porcentaje). Pero después de unos 20 minutos, la nucleosíntesis terminó y no se pudieron formar más núcleos.
El problema en ese momento era que los electrones no podían permanecer en órbita alrededor de ningún núcleo atómico debido al inmenso calor y la radiación que seguían inundando el universo. Poco después de que se formara algún átomo neutro (los átomos neutros contienen simplemente el mismo número de protones y electrones, por lo que no tienen carga total), la radiación energética volvió a destruirlos.
