La tabla periódica de los elementos es un arreglo sumamente ingenioso que permite presentar de manera lógica y estructurada las más simples sustancias de las que se compone todo: absolutamente todo lo que conocemos. Todos los elementos que conocemos, e incluso con lo que todavía no nos hemos encontrado, tienen un lugar preciso en ella, cuya posición nos permite conocer muchas de sus características. Ese grupo de casi cien ingredientes permite crear cualquier cosa. Pero no siempre fue así.

           Me gusta la Gran Nebulosa de Orión. Hay ahí tantas cosas, nos cuenta historias que…

  FUENTES DE DATOS DE ABUNDANCIAS CÓSMICAS DE LOS ELEMENTOS

Estos datos deben obtenerse a partir del estudio de la materia cósmica. La materia cósmica comprende:

Gas interestelar, de muy baja densidad (10^-24 g/cm³) y Nebulosas gaseosas o nubes de gas interestelar y polvo. Las nebulosas gaseosas se producen cuando una porción del medio interestelar está sujeta a radiación por una estrella brillante y muy caliente, hasta tal punto se ioniza que se vuelve fluorescente y emite un espectro de línea brillante (que se estudian por métodos espectroscopios). Por ejemplo las nebulosas de “Orión” y “Trifidas”. Las ventajas de estas nebulosas difusas para el estudio de las abundancias son:

‑ Su uniformidad de composición.

‑ El que todas sus partes sean accesibles a la observación, al contrario de lo que ocurre en las estrellas.

También tiene desventajas:

‑ Solo se observan las líneas de los elementos más abundantes.

‑ Cada elemento se observa solo en uno o pocos estadios de ionización aunque puede existir en muchos.

‑ La mayoría de las nebulosas exhiben una estructura filamentosa o estratiforme  es decir que ni la D ni la T son uniformes de un punto a otro. A partir del medio interestelar (gas interestelar y nébulas gaseosas) se están formando continuamente nuevas estrellas.

                         Las estrellas se forman a partir del gas y el polvo de las Nebulosas

En las estrellas podemos encontrar muchas respuestas de cómo se forman los elementos que conocemos. Primero fue en el hipotético big bang donde se formaron los elementos más simples: Hidrógeno, Helio y Litio. Pasados muchos millones de años se formaron las primeras estrellas y, en ellas, se formaron elementos más complejos como el Carbono, Nitrógeno y Oxígeno. Los elementos más pesados se tuvieron que formar en temperaturas mucho más altas, en presencia de energías inmensas como las explosiones de las estrellas moribundas que, a medida que se van acercando a su final forman materiales como: Sodio, Magnesio, Aluminio, Silicio, Azufre, Cloro, Argón, Potasio, Titanio, Hierro, Cobalto, Niquel, Cobre, Cinc, Plomo, Torio…Uranio. La evolución cósmica de los elementos supone la formación de núcleos  simples en el big bang y la posterior fusión de estos núcleos ligeros para formar núcleos más pesados y complejos en el interior de las estrellas y en la transición de fase de las explosiones supernovas.

          El Sol, dentro de 5.000 millones de años, será una Gigante roja primero y una enana blanca después

Hoyle en sus investigaciones de los elementos en las estrellas se encontró con el obstáculo insuperable del hierro. El hierro es el más estable de todos los elementos; fusionar núcleos de hierro para formar nucleos de un elemento más pesado consume energía en vez de liberarla; ¿cómo,  pues, podían las estrellas efectuar la fusión del hierro y seguir brillando? Hoyle pensó que las supernovas podían realizar la tarea, que el extraordinario calor de una estrella en explosión podía servir para forjar los elementos más pesados que el hierro, si el de una estrella ordinaria no podía. Pero no lo pudo probar.

Luego, en 1956, el tema de la producción estelar de elementos recibió nuevo ímpetu cuando el astrónomo norteamericano Paul Merril identificó las reveladoras líneas del Tecnecio 99 en los espectros de las estrellas S. El Tecnecio 99 es más pesado que el hierro. También es un elemento inestable, con una vida media de sólo 200.000 años. Si los átomos de Tecnecio que Merril detectó se hubiesen originado hace miles de millones de años en el big bang, se habrían desintegrado desde entonces y quedarían hoy muy pocos de ellos en las estrellas S o en otras cualesquiera. Sin embargo, allí estaban. Evidentemente, las estrellas sabían como construir elementos más allá del hierro, aunque los astrofísicos no lo supiesen.

                                         Estrella muy evolucionada que se transforma en otra cosa

Las estrellas de tecnecio son estrellas cuyo espectro revela la presencia del elemento tecnecio. Las primeras estrellas de este tipo fueron descubiertas en 1952, proporcionando la primera prueba directa de la nucleosíntesis estelar, es decir, la fabricación de elementos más pesados a partir de otros más ligeros en el interior de las estrellas. Como los isótopos más estables de tecnecio tienen una vida media de sólo un millón de años, la única explicación para la presencia de este elemento en el interior de las estrellas es que haya sido creado en un pasado relativamente reciente. Se ha observado tecnecio en algunas estrellas M, estrellas MS, estrellas MC, estrellas S, y estrellas C.

Estimulado por el descubrimiento de Merril, Hoyle reanudó sus investigaciones sobre la nucleosíntesis estelar. Era una tarea que se tomó muy en serio. De niño, mientras se ocultaba en lo alto de una muralla de piedra jugando al escondite, miró hacia lo alto, a las estrellas, y resolvió descubridor qué eran, y el astrofísico adulto nunca olvidó su compromiso juvenil. Cuando visitó el California Institute Of Technology, Hoyle estuvo en compañía de Willy Fowler, un miembro residente de la facultad con un conocimiento enciclopédico de la física nuclear, y Geoffrey y Margaret Burbidge, un talentoso equipo de marido y mujer que, como Hoyle, eran escépticos ingleses en la relativo al big bang.

Hubo un cambio cuando Geoffrey Burbidge, examinando datos a los que recientemente se había eximido de las normas de seguridad de una prueba atómica en el atolón Bikini, observó que la vida media de uno de los elementos radiactivos producidos por la explosión, el californio 254, era de 55 días. Esto sonó familiar: 55 días era justamente el período que tardó en consumirse una supernova que estaba estudiando Walter Baade. El californio es uno de los elementos más pesados; si fuese creado en el intenso calor de estrellas en explosión, entonces, seguramente los elementos situados entre el hierro y el californio -que comprenden, a fin de cuentas, la mayoría de la Tabla Periódica- también podrían formarse allí. Pero ¿cómo?.

                                                 Nucleosíntesis estelar

Las estrellas que son unas ocho veces más masivas que el Sol representan sólo una fracción muy pequeña de las estrellas en una galaxia espiral típica. A pesar de su escasez, estas estrellas juegan un papel importante en la creación de átomos complejos y su dispersión en el espacio.

Elementos necesarios como carbono, oxígeno, nitrógeno, y otros útiles, como el hierro y el aluminio. Elementos como este último, que se cocinan en estas estrellas masivas en la profundidad de sus núcleos estelares, puede ser gradualmente dragado hasta la superficie estelar y hacia el exterior a través de los vientos estelares que soplan impulsando los fotones. O este material enriquecido puede ser tirado hacia afuera cuando la estrella agota su combustible termonuclear y explota. Este proceso de dispersión, vital para la existencia del Universo material y la vida misma, puede ser efectivamente estudiado mediante la medición de las peculiares emisiones radiactivas que produce este material. Las líneas de emisión de rayos gamma del aluminio, que son especialmente de larga duración, son particularmente apreciadas por los astrónomos como un indicador de todo este proceso. El gráfico anterior muestra el cambio predicho en la cantidad de un isótopo particular de aluminio, Al26, para una región de la Vía Láctea, que es particularmente rica en estrellas masivas. La franja amarilla es la abundancia de Al26 para esta región según lo determinado por el laboratorio de rayos gamma INTEGRAL. La coincidencia entre la abundancia observada y la predicha por el modelo re-asegura a los astrónomos de nuestra comprensión de los delicados lazos entre la evolución estelar y la evolución química galáctica.

Pero sigamos con la historia recorrida por Hoyle y sus amigos. Felizmente, la naturaleza proporcionó una piedra Rosetta con la cual Hoyle y sus colaboradores podían someter a prueba sus ideas, en la forma de curva cósmica de la abundancia. Ésta era un gráfico del peso de los diversos átomos -unas ciento veinte especies de núcleos, cuando se tomaban en cuanta los isótopos- en función de su abundancia relativa en el universo, establecido por el estudio de las rocas de la Tierra, meteoritos que han caído en la Tierra desde el espacio exterior y los espectros del Sol y las estrellas.

Supernova que calcina a un planeta cercano. Ahí, en esa explosión se producen transiciones de fase que producen materiales pesados y complejos. En una supernova, en orden decreciente tenemos la secuencia de núcleos H, He, O, C, N, Fe, que coincide bastante bien con una ordenación en la tabla periódica que es: H, He, (Li, Be, B) C, N, O… Fe.

¿Apreciáis la maravilla?

Las estrellas brillan en el cielo para hacer posible que nosotros estemos aquí descubriendo los enigmas del universo y… de la vida inteligente. Esos materiales para la vida sólo se pudieron fabricar el las estrellas, en sus hornos nucleares y en las explosiones supernovas al final de sus vidas. Esa era la meta de Hoyle, llegar a comprender el proceso y, a poder demostrarlo.

“El problema de la síntesis de elementos -escribieron- está estrechamente ligado al problema de la evolución estelar.” La curva de abundancia cósmica de elementos que mostraba las cantidades relativas de las diversas clases de átomos en el universo a gran escala. Pone ciertos límites a la teoría de cómo se formaron los elementos, y, en ella aparecen por orden creciente:

En estrellas como el Sol, el proceso se frena en el Huerro

Como reseñamos antes la lista sería Hidrógeno, Helio, Carbono, Litio, Berilio, Boro, Oxígeno, Neón, Silicio, Azufre, Hierro (damos un salto), Plomo, Torio y Uranio. Las diferencias de abundancias que aparecen en los gráficos de los estudios realizados son grandes -hay, por ejemplo, dos millones de átomos de níquel por cada cuatro átomos de plata y cincuenta de tunsgteno en la Vía Láctea- y por consiguiente la curva e abundancia presenta una serie de picos dentados más accidentados que que la Cordillera de los Andes. Los picos altos corresponden al Hidrógeno y al Helio, los átomos creados en el big bang -más del p6 por ciento de la materia visible del universo- y había picos menores pero aún claros para el Carbono, el Oxígeno, el Hierro y el Plomo. La acentuada claridad de la curva ponía límites definidos a toda teoría de la síntesis de elementos en las estrellas. Todo lo que era necesario hacer -aunque dificultoso) era identificar los procesos por los cuales las estrellas habían llegado preferentemente a formar algunos de los elementos en cantidades mucho mayores que otros. Aquí estaba escrita la genealogía de los átomos, como en algún jeroglífico aún no traducido: “La historia de la materia escribió Hoyle, Fwler y los Burbidge_…está oculta en la distribución de la abundancia de elementos”

         En la imagen de arriba se refleja el proceso Triple Alpha descubierto por Hoyle:

Amigos míos, son las 5,53 h., me siento algo cansado de teclear y me parece que con los datos aquí expuestos podéis tener una idea bastante buena de la formación de elementos en el cosmos y de cómo las estrellas son las máquinas creadoras de la materia cada vez más compleja y, el Universo, nos muestra de qué mecanismos se vale para poder traer elementos que más tarde formarán parte de los planetas, de los objetos en ellos presentes y, de la Vida.

emilio silvera

  Sí, ¡tenemos que saber y sabremos!

Hasta hace muy pocos años la Gravitación y la Mecánica Cuántica eran dos campos de la Física Teórica que utilizaban metodologías muy distintas y que estaban prácticamente desconectados entre sí. Por una parte, la interacción gravitatoria está descrita por la Teoría de la Relatividad General de Einstein, que es una teoría clásica (es decir, no cuántica) en la que la Gravedad se representa como una propiedad geométrica del espacio y del tiempo. Por otro lado, gobierna el mundo de las partículas atómicas y subatómicas. Su generalización relativista (la Teoría Cuántica de Campos) incorpora los principios de la Teoría Especial Relativista y, junto con el principio gauge, ha permitido construir con extraordinario éxito el llamado Modelo Estándar de la Física de las Partículas Elementales.

La interacción electromagnética, por ejemplo, es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas. Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un modelo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales. Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tiene una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describe con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

                                      El electromagnetismo está presente por todo el Universo

La interacción fuerte es unas 10² veces mayor que la interacción electromagnética y, como ya se dijo antes, aparece sólo entre los hadrones y es la responsable de las fuerzas entre nucleones que confiere a los núcleos de los átomos su gran estabilidad. Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (10^-15 metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por el intercambio de mesones virtuales llamados Gluones. Está descrita por una teoría gauge llamada Cromodinámica cuántica.

Las teorías gauge explican satisfactoriamente la dinámica de las interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles en un gran rango de distancias. Sin embargo, a pesar que la Teoría General de la Relatividad puede formularse como una teoría gauge, todos los intentos de introducir en ella de manera completamente satisfactoria los principios de la Mecánica Cuántica, han fracasado. No obstante, los desarrollos realizados en el marco de la Teoría de Cuerdas en los últimos años han dado lugar a una convergencia, al menos metodológica, entre estos dos campos de la Física Fundamental.

La piedra angular de esta inesperada conexión es la llamada correspondencia gravedad/teoría gauge. En su forma más genérica dicha correspondencia afirma que la dinámica de ciertas teorías cuánticas de campos sin gravedad puede ser descrita por medio de una teoría gravitatoria en un espacio-tiempo que contiene al menos una dimensión adicional.

Para poder comprender con claridad los orígenes y las consecuencias de tan sorprendente relación entre teorías tan diferentes, es interesante recordar como fue descubierta en el contexto de la Teoría de Cuerdas. la Teoría de cuerdas tiene su origen en los años 60-70 como un intento de describir los hadrones (partícuals elementales que experimentan interacción fuerte) como estados de una cuerda en movimiento.

               ¡Teoría de cuerdas! (¿) ¿Se podrá verificar algún día?

La longitud de la cuerda se puede identificar con el tamaño del hadrón y sería del orden del fermi (10^-15 metros). Sin embargo, al analizar en detalle el espectro de modos de vibración de las cuerdas cerradas se descubrió que estas contienen una partícula de espín 2 y masa nula…(¿el gravitón?) que no se corresponde con ningún hadrón y que, en cambio, se identifica de manera natural con el gravitón (el cuanto fundamental de la interacción gravitatoria). De esta forma la Teoría de Cuerdas pasó de ser considerada una teoría de las interacciones fuertes a ser una posible teoría de unificación de las cuatro interacciones fundamentales de la Naturaleza a una escala mucho más pequeña: La longitud de Planck (10^-35 metros).

Una consecuencia sorprendente del estudio cuántico de la cuerda es que ésta debe propagarse en un espacio-tiempo de diez dimensiones. La métrica de dicho espacio-tiempo está también fuertemente contreñida. De hecho, la consistencia mecano-cuántica del movimiento de la cuerda en un espacio curvo impone que la métrica de este debe satisfacer unas ecuaciones que,  en el límite en el que la longitud de la cuerda se considera muy pequeña, se reducen a las ecuaciones de Einstein de la relatividad general. Así pues, las ecuaciones fundamentales de la gravedad clásica en diez dimensiones se puede obtener de la dinámica cuántica de la cuerda.

“Según la teoría de cuerdas, las membranas existen en la undécima dimensión, en realidad son infinitas. Se dice que cada membrana corresponde a un universo, por ejemplo a nuestro universo le corresponde una membrana y las otras membranas serían universos paralelos.”

Denominan Branas y son paredes de dominio en el espacio-tiempo ince-dimensional que corresponden a estados no-perturbativos de la Teoría de Cuerdas similares a los solitones de las teorías cuánticas de campo. En particular, las denominadas Dp-Branas son objetos que pueden estar extendidos a lo largo de p dimensiones espaciales y una temporal para 0 ≤ p ≤ 9. Uno puede imaginárselas como hiperplanos (p+1)-dimensionales. En particular la D3-Branas están extendidas a lo largo de cuatro dimensiones (tres espaciales y una temporal).

Claro, todo es pura conjetura (hasta que no sea verificado de forma experimental). Increíblemente el mundo de las branas es tan colosalmente extraño como lo es el invisible “mundo” de las partículas quánticas, con la salvedad de que, al tratar de objetos aún más pequeños, es decir aquellos que posiblemente existan más allá de los Quarks, la fascinación sube de tono al toparnos con un universo de cosas “imposibles”, bueno, mejor alejado de lo que nos dice el sentido común que (está visto),  no es el mejor de los sentidos.

Las D-branas aparecen en muchas discusiones modernas relacionadas con las cuerdas (por ejemplo, en la entropía de los agujeros negros). Suelen tratarse como si fueran objetos clásicos que yacen dentro del espacio-tiempo completo 1 + 9 (o 1 + 10) dimensiones. La “D” viene de “Dirichlet”, por analogía con el tipo de problema de valor de frontera conocido como un problema de Dirichlet, en el que hay una frontera de género tiempo sobre la que se especifican datos (según Peter G. Lejeune Dirichlet, un eminente matemático francés que vivió entre 1.805 y 1.859).

            No resulta fácil para nosotros imaginar el Mundo Brana

Las D-Branas son objetos dinámicos que pueden moverse, deformarse y cambiar de estado interno. Una de sus características fundamentales es que este último está caracterizado por un campo gauge que viv3e en su interior. Así podremos decir que las D-Branas albergan teorías de gauge en su seno. Esta es una realización novedosa de la simetría gauge que está en la base de la correspondencia gravedad/teoría gauge. Además, dado que la Teoría de Cuerdas es una teoría gravitatoria, cualquier objeto masivo (y en particular las D-Branas) tiene asociado una métrica que describe la distorsión gravitatoria del espacio-tiempo en torno a él. En el caso de las D-Branas estas métricas son fáciles de encontrar y son similares a la clásica solución de Schwazschild de la relatividad general. En 1997 el joven físico argentino Juan Maldacena sugirió  utilizar esta solución de gravedad para describir la teoría gauge que vive en las D-Branas.

¿Podría ser nuestro universo una membrana flotando en un espacio de más dimensiones, que se rompe muchas veces en un universo circundante? Según una rama de la teoría de las cuerdas llamada braneword, hay una gran cantidad de dimensiones extra de espacio, y aunque la gravedad puede llegar a salir, nosotros estamos confinados a nuestro propio universo “brana”, con sólo tres dimensiones. Neil Turok, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, y Paul Steinhardt, de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, EE.UU., han trabajado en cómo el Big Bang se podría haber provocado cuando nuestro universo se enfrentó violentamente con otro. Se repite el enfrentamiento, produciendo un nuevo Big Bang de vez en cuando, por lo que si el modelo del universo cíclico es correcto, el cosmos puede ser inmortal. ¡Por imaginar que no quede!

Sólo vamos a ser conscientes de dimensiones extra allí donde inciden directamente sobre las D-brana en la que “vivimos”. Más que una imagen de tipo “espacio cociente” que evoca la analogía de Kaluza-Klein original: El gráfico representa un modelo de manguera de un espacio-tiempo de dimensiones más altas de tipo Kaluza-Klein, donde la longitud, o mejor, la dimensión a lo largo de la longitud de la manguera representa el 4-espacio-tiempo normal, y la dimensión alrededor de la manguera representa la dimensión extra “pequeñas” (quizá escala de Planck). Imaginemos un “ser” que habite en este mundo, que rebasa estas dimensiones extra “pequeñas”, y por ello no es realmente consciente de ellas.

En la propuesta de Maldacena de las dos descripciones (gauge y gravitatoria) son duales y complementarias entre sí. En principio nos puede parecer confusa la afirmación de que la gravedad juega un papel relevante en la física de la teoría gauge. En los cursos de física nosm enseñan que la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas, y que, por lo tanto, su efecto es despreciable salvo a distancias realmente pequeñas o masas realmente grandes. Para resolver esta paradoja hay que tener en cuenta que la gravedad de la que estamos hablando no es la de nuestro universo aproximadamente plano y (posiblemente) con una pequeña constante cosmológica positiva, sino que se trata de una teorìa auxiliar en más de cuatro dimensiones y con constante cosmológica negativa.

Para seguir explicando el tema, mucho tendríamos que escribir. Sin embargo, quede aquí esta entrada que, al menos, puede despertar alguna curiosidad en los lectores que, aconsejados por lo leído, busquen más sobre el tema que, sin duda alguna, llega a ser fascinante.

Fuente: algunos de los párrafos aquí insertos, han sido transcritos de un trabajo de Alfonso V Ramallo del DepartAmento de Física de Partículas de la Universidad de Santiago de Compostela.

PD.

Aclaración: Cuando mencionamos una teoría gauge, lo estamos haciendo de cualquiera de las teorías cuánticas de campos creadas para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y los potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos. Las teorías gauge no abelianas son conocidas como teorías de Yang-Mills. esta diferencia explñica por qué la electrodinámica cuántica es una teoría mucho más simple que la cromodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electrodébil, que es la teoría unificada de las interacciones débiles y las electromagnéticas. En el caso de la Gravedad Cuántica, el Grupo Gauge es mucho más complicado que los grupos gauge tanto de las interacciones fuertes como de las débiles.

¡La Física! ¡Qué complejidad!

emilio silvera