James Clerk Maxwell, el hombre sintiéndose poeta de la Naturaleza, inspirado escribió:

“En tiempos y lugares totalmente inciertos,

Los átomos dejaron su camino celeste,

Y mediante abrazos fortuitos,

Engendraron todo lo que existe.”

 

Y, al menos en lo que conocemos y que esté hecho de materia bariónica (la que emite radiación), así resulta ser. En la materia, de una u otra manera, están presentes las fuerzas fundamentales que rigen en el Universo, como por ejemplo, la radiactividad, la fuerza nuclear débil, la Gravedad y, en los átomos la fuerza nuclear fuerte.

En los albores del siglo XX se hacía cada vez más evidente que alguna clase de energía “atómica” tenía que ser responsable de la potencia del Sol y las otras estrellas del cielo. Ya por 1898, sólo dos años después del descubrimiento de la radiactividad por Becquerel, el geólogo norteamericano Thomas Chrowder Chamberlin especulaba que los átomos eran “complejas organizaciones y centros de enormes energías”, y que “las extraordinarias condiciones que hay en el centro del Sol pueden… liberar una parte de su energía”. Pero nadie sabía cuál era ese mecanismo, ni cómo podía operar, hasta que no se llegó a saber mucho más sobre los átomos y las estrellas.

El intento de lograr tal comprensión exigió una colaboración cada vez mayor entre los astrónomos y los físicos nucleares. Su trabajo llevaría, no sólo a resolver la cuestión de la energía estelar, sino también al descubrimiento de una trenza dorada en la que la evolución cósmica se entrelazaba con la historia atómica y la estelar.

                               Todo está hecho de átomos… ¡También nosotros!

La clave para comprender la energía estelar fue, como previó Chamberlin, conocer la estructura del átomo. Que el átomo tenía una estructura interna podía inferirse de varias líneas de investigación, entre ellas, el estudio de la radiactividad: para que los átomos emitiesen partículas, como se había hallado que lo hacían en los laboratorios de Becquerel y los Curie, y para que esas emisiones los transformasen de unos elementos en otros, como habían demostrado Rutherford y el químico inglés Frederick Soddy, los átomos debían de ser algo más que simples unidades indivisibles, como implicaba su nombre (de la voz griega que significa “imposible de cortar”). Pero la física atómica aún debía recorrer un largo camino para llegar a comprender su estructura.

                                                                              Becquerel y los Curie

De los tres principales constituyentes del átomo -el protón, el neutrón y el electrón-, sólo el electrón había sido identificado (por J.J. Thomson, en los últimos años del siglo XIX). Nadie hablaba de energía “nuclear”, pues ni siquiera se había demostrado la existencia del núcleo atómico, y mucho menos de sus partículas constituyentes, el protón y el neutrón, que serían identificados respectivamente, por Thomson en 1913 y James Chadwick en 1932. Desvelar la fuerza nuclear fuerte y los Bosones emisarios, los Gluones, tuvo que esperar algún tiempo.

Rutherford, Hans Geiger y Ernest Marsden se contaban entre los más expertos entendidos sobre la cartografía atómica. En Manchester, de 1909 a 1911, sondearon el átomo lanzando corrientes de “partículas alfa” subatómicas -núcleos de helio- contra delgadas laminillas de oro, plata, estaño y otros metales. La mayoría de las partículas alfa se escapaban a través de las laminillas, pero, para asombro de los experimentadores, algunas rebotaban hacia atrás, Rutherford pensó durante largo tiempo e intensamente en este extraño resultado; era tan sorprendente, señalaba, como si una bala rebotase contra un pañuelo de papel. Finalmente, en una cena en casa en 1911, anunció a unos pocos amigos que había dado con una expliación: que la mayoría de la masa de un átomo reside un un diminuto núcleo masivo. Midiendo las tasas de dispersión hacia atrás obtenida de laminillas compuestas de varios elementos, Rutherford pudo calcular la carga y el diámetro máximo del núcleo atómico del blanco. Esa era, pues, una explicación atómica de los pesos de los elementos. Los elementos pesados son más pesados que los elementos ligeros porque los núcleos de sus átomos tienen mayor masa.

El ámbito de los electrones fue explorado luego por el físico danés Niels Bohr, quien demostró que los electrones ocupan órbitas, o capas, discretas que rodean el núcleo. (Durante un tiempo Bohr concibió el átomo como un sistema solar en miniatura, pero este análisis pronto demostró ser inadecuado; el átomo no está regido por la mecánica newtoniana sino por la mecánica cuántica.) Entre sus muchos otros éxitos, el modelo de Bohr revelaba la base física de la espectroscopia. El número de electrones de un átomo está determinado por la carga eléctrica del núcleo, la que a su vez se debe al número de protones del núcleo, que es la clave de la identidad química del átomo.

Cuando un electrón cae de una órbita externa a una órbita interior emite un fotón. La longitud de onda de ese fotón está determinada por las órbitas partículas entre las que el electrón efectúa la transición. Y esta es la razón de que un espectro, que registra las longitudes de onda de los fotones, revele los elementos químicos que forman la estrella u otro objeto que estudie el espectros-copista. En palabras de Max Planck, el fundador de la mecánica cuántica, el modelo de Bohr del átomo proporciona “la llave largamente buscada de la puerta de entrada al maravilloso mundo de la espectroscopia, que desde el descubrimiento del análisis espectral había desafiado obstinadamente todos los itentos de conocerlo”.

Las estrellas son enormes aglomeraciones de gas, principalmente Hidrogeno, cuya temperatura es tan alta debido a la fusión de este elemento, que irradian luz a lo largo de todo el espectro electromagnético. Poseen diferentes temperaturas que varían desde los 2000 grados Celsius hasta los 50000.

                                              El color es cambiante en razón de la temperatura

De la misma forma que al calentar una pieza de metal cambia de color, al principio rojo, luego amarillo hasta llegar al blanco, el color de una estrella varia según su temperatura superficial. Las estrellas más frías son las rojas, y las mas calientes las azules. Estos colores suelen percibirse a simple vista, como por ejemplo Antares (la estrella principal de Scorpius) que es de color rojo, o Rigel (en Orion) de color azul. En astronomía se utiliza la escala Kelvin para indicar temperaturas, donde el cero absoluto es -273 grados Celsius.

Para definir el color de una estrella, Johnson y Morgan (1950), crearon el sistema UBV (del inglés Ultravioleta, Azul, Visible). Las mediciones se realizaban mediante un fotómetro fotoeléctrico para medir la intensidad de la radiación el longitudes de onda específicas:

           Los políticos, como siempre, queriendo estar en la foto de cualquier acontecimiento

Un día de hace ya más de veinte años, allá por el año 1996, el pueblo americano escuchaba con asombro a su presidente, Clinton por aquel entonces, que en marte podía existir vida. La noticia de que un antiguo meteorito caído en la Tierra y proveniente de dicho planeta, así parecía confirmarlo al contener fósiles de vida microbiana. Como podréis comprender, aquello impactó en la opinión pública de todo el mundo y, la noticia, fue objeto de todas las primeras planas y también, de todas las conversaciones en los corrillos en el trabajo, en el café, por las calles y en familia. ¡Vida en otro planeta!

                                        Bioconstrucciones arcaicas

Arriba el testimonio fósil de unas maravillosas bioconstrucciones bacterianas denominadas estromatolitos. Hace unos dos mil millones de años (MA), cuando en los océanos ya emergían millones de células vivas, los arrecifes de estromatolitos comenzaron a expandirse y a segregar un gas que fue causante de la primera extinción masiva del planeta. Este gas era el oxígeno y provocó un cambio tan drástico en la Tierra, que permitió una expansión vital sin precedentes.

La explosión biológica Cámbrica

 

 De forma un tanto súbita y todavía insuficientemente explicada, la vida estalló en un sinfín de organismos complejos, algunos precursores de los que actualmente pueblan la Tierra y otros ya extinguidos, en el Cámbrico temprano.

Aunque no lo podamos saber todo y no estemos al tanto de lo que pasa en el mundo científico (las noticias saltan cuando hay un descubrimiento relevante), lo cierto es que, durante los últimos años los científicos han llevado a cabo una espectacular puesta al día de sus ideas sobre el origen de la vida. Todos hemos podido leer en los libros de texto que, la vida, comenzó temprano en nuestro planeta. Según todos los indicios (los fósiles encontrados en las rocas más antiguas así lo afirman), la vida ha estado presente en la Tierra desde hace ya unos cuatro mil millones de años.

        Encuentran microbios a dos kilómetros bajo tierra en un cráter en EEUU

Parece ahora que los primeros organismos terrestres vivían en el subsuelo profundo al calor de la joven Tierra, enterrados en rocas calentadas geotérmicamente en condiciones similares a las que podríamos encontrar en una olla a presión. Sólo posteriormente migraron estos organismos a la superficie. Sorprendentemente, los descendientes de esos microbios primordiales aún están allí, a kilómetros de profundidad bajo nuestros pies.

Hace algunos años nadie podía sospechar que la vida pudiera estar presente en un ambiente tan inhóspito escondidos en las rocas bajo la superficie de la Tierra y…  ¿de Marte?.

                 Fotografía de un trocito del meteorito ALH 84001

¿Cómo empezó la vida exactamente? ¿Qué procesos físicos químicos pueden transformar la materia “inerte” en un  organismo viv0? Esta compleja pregunta sigue siendo uno de los más grandes misterios de la naturaleza y quizás, el reto científico también mayor. Equipos de químicos y biólogos desde hace años, están abordando el complejo problema y tratan de desvelar el secreto tan celosamente guardado por la Naturaleza. Muchos de ellos, han tenido que concluir diciendo que, las leyes de la Naturaleza, están predispuestas a favor de la vida y dicen que la vida se formará y surgirá en todos aquellos lugares que tengan las condiciones idóneas para ello.

             Vista  microscópica de la estructura interna del ALH 84001

Así que, no sólo en la Tierra o Marte (seguramente en el presente en el subsuelo), también la vida podría estar presente en cualquier luna o planeta que, situado en la zona habitable de la estrella que los acoge, con atmósfera y elementos químicos y los demás ingredientes necesarios como el CHON (Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno…) además de la presencia también de alguna clase de actividad tectónica-volcánica, una capa de ozono, la presencia de gases con efecto invernadero, agua líquida, ¿un planeta gigante?, existencia de un campo magnético…

                       ¿Quién sabe lo que en otros mundos podríamos encontrar?

La tectónica de placas y el vulcanismo activo de nuestro planeta habrían tenido un importante papel para mantener el clima estable. Estos procesos actúan como un gigantesco termostato natural que regula la cantidad de dióxido de carbono de la atmósfera, y manteniendo el efecto invernadero a raya.

Los gases de efecto invernadero tan satanizados hoy en día, son absolutamente imprescindibles para la vida. Los más importantes son el dióxido de carbono, vapor de agua y el metano que atrapan el calor del Sol que de otra forma escaparía al espacio. Sin estos gases en la atmósfera, el planeta entero sería un gigantesco congelador.

La capa de ozono es crítica para las plantas y animales bloqueando la mayor parte de estos nocivos rayos de alta energía procedentes del Sol.

                        Ya nos dijo Tales de Mileto la importancia del agua para la Vida

El agua líquida es absolutamente imprescindible para la vida como la conocemos. Los océanos proporcionan el ambiente líquido perfecto para que proliferen los organismos vivos. A pesar de todo, existen algunos organismos vivos exóticos capaces de sobrevivir en ambientes mucho más secos. El agua se filtra a gran profundidad en las rocas actuando además como lubricante natural en los movimientos de las placas tectónicas.

Este es uno de los aspectos más importantes para que la vida pueda desarrollarse. La zona habitable de un sistema estelar se suele definir como aquella región del sistema en la que el agua puede existir en forma líquida. Distancias menores a la estrellas provocarían que los océanos hirviesen y se secasen, distancias mayores causarían que los océanos se congelasen.

No pocos de los asteroides que llegan al Sistema solar son atraídos por la Gravedad de Júpiter librando al planeta Tierra de una gran catástrofe. Hasta el momento hemos tenido mucha suerte ¡Que siga!

Algunos científicos opinan que la existencia de un planeta masivo como Júpiter en nuestro Sistema solar solar protege a la Tierra de impactos de asteroides y cometas. Júpiter actuaría como un escudo, absorbiendo la mayoría de impactos de asteroides y cometas, capaces de provocar una enorme destrucción en la biosfera.

Un planeta habitable necesitaría un campo magnético capaz de protegerlo de la embestida de partículas cargadas del viento estelar desviando la corriente. Sin la presencia de un campo magnético, el viento solar o estelar podría arrancar la atmósfera del planeta que escaparía al espacio. Un campo magnético también protege de la radiación cósmica…

La creencia en que la vida está inscrita en las leyes de la Naturaleza trae un débil eco de una era religiosa pasada, de un universo concebido para ser habitado por criaturas vivas. Muchos científicos menosprecian tales ideas, e insisten en que el origen de la vida  fue un accidente anómalo de la química que sólo se dio en la Tierra; y que la posterior emergencia de organismos complejos, incluyendo los seres conscientes, es así mismo un resultado puramente fortuito de una gigantesca lotería cósmica. En este debate está en juego el lugar mismo de la Humanidad en el Cosmos: ¿Quiénes somos y dónde encajamos dentro del gran esquema?

Bueno, ahora estamos vigilantes y queremos desvelar ese misterio. En cuanto a que todo esto es el resultado de una gran lotería cósmica… me parece que no. En una lotería sale un número y, sin embargo, en lo relativo a la vida, sabemos que actualmente sólo viven en nuestro planeta aproximadamente un uno por ciento de todas las especies que lo han poblado a lo largo de su existencia. Y, si es así (que lo es), ¿Cómo es posible esa diversidad de criaturas en un caso fortuito? ¿No será más lógico pensar que, la vida, es consustancial de la dinámica del Universo?

Ahí están todos los ingredientes para la vida que “fabricaron” las estrellas. Sólo necesitan Tiempo

Hemos conformado un modelo del universo y de él partimos para poder explicar su Historia. Hemos inventado un Big Bang que, en parte, nos explica el suceso de la presencia del universo y de cómo pudo surgir. Su nacimiento explosivo estuvo acompañado por un inmenso destello de calor intenso. Durante la primera fracción se segundo emergieron las fuerzas físicas básicas y las partículas fundamentales de la materia. Al cabo de este primer segundo, los materiales esenciales del Cosmos ya estaban formados. El espacio está repleto por todas partes de una sopa de partículas subatómicas -protones, neutrones y electrones– bañadas en radiación a una temperatura de diez mil millones de grados.

Bueno, lo que en realidad estamos llamando el principio aquí es el universo cuando la temperatura rondaba los 100,000,000,000 K. El universo ya había existido al menos por una pequeña fracción de segundo y estaba dominado por radiación con unas pequeñas trazas de materia. La radiación estaba en forma de fotones, neutrinos y antineutrinos. La materia estaba en forma de electrones, positrones y una pequeña concentración de protones y neutrones (denominados nucleones) – aproximadamente un nucleón por cada 1,000 millones de partículas-.

A estas temperaturas y densidades tan extremas (la densidad equivalía a unos 3.800 millones de veces la densidad del agua), todas estas entidades se comportan como partículas. Eso significa que están todo el tiempo colisionando entre ellas, casi como lo harían un montón de canicas que estuvieran bien empaquetadas en un gran cajón cerrado. En el universo primitivo no existían “paredes” físicas que contuvieran a esas partículas, sino que el elevado número de colisiones y la rapidez de éstas jugaban perfectamente el papel de “paredes del universo”. Sin embargo, esas “paredes” no eran estáticas, sino que a medida que se producían las colisiones el universo aumentaba de tamaño. La expansión del universo producía una disminución de la densidad de energía que tenía que distribuirse en un volumen cada vez mayor. Este proceso implicaba a su vez una disminución de la temperatura del universo, proceso que continúa ocurriendo hoy en día.

Las colisiones entre partículas tenían tres importantes consecuencias. La primera es que el universo estaba en equilibrio térmico. Para dar al lector una idea de lo que esto significa, vamos a fijarnos en un vaso de agua a 40 grados. La temperatura de un objeto es una medida de la energía media del movimiento (energía cinética) de sus moléculas. Pero no todas las moléculas la misma energía cinética correspondiente a una temperatura de 40 grados, sino que existen moléculas con menos energía y moléculas con más energía.

PRIMER CAMINO

Los núcleos de deuterio colisionan con un protón formando ³He, y seguidamente con un neutrón formando ⁴He

SEGUNDO CAMINO

El deuterio colisiona primero con un neutrón formando ³H (habitualmente conocido como tritio), y posteriormente con un protón para formar de nuevo ⁴He

Este núcleo fue el más pesado que se formó en el universo primitivo, debido a que en el momento en que esto fue posible, la densidad de energía ya era demasiado baja para permitir que los núcleos colisonarán con suficiente energía para fundirse. En el momento en que comenzó la nucleosíntesis, la abundancia relativa de protones y neutrones era: 13% de neutrones y 87% de protones. Todos los neutrones fueron utilizados para formar los núcleos de Helio. Los protones quedarían de esa manera como núcleos de hidrógeno. Por lo tanto, tenemos que en el momento en que se completó la nucleosíntesis primigenia, el universo consistía en prácticamente un 25% de He y un 75% H (en peso) con ligeras trazas de otros elementos ligeros.

El paso final en la formación de los elementos fue la captura de los electrones libres por parte de los núcleos para formar los átomos neutros (proceso conocido curiosamente como recombinación a pesar de que es la primera vez que se ligaban electrones y núcleos).

Pero los electrones tenían aún suficiente energía para y el proceso de recombinación no ocurriría de forma masiva hasta que transcurrieran unos 700,000 años. La captura de los electrones para formar los átomos tuvo una consecuencia importantísima: sin electrones libres, la radiación electromagnética (los fotones) ya no tenían con quién interactuar y el universo se volvería transparente al paso de ésta. Esto significó que los fotones serían capaces de expandirse junto con el universo. Esos fotones que acabaron por ser libres tenían energías altísimas que se traducía en longitudes de onda muy cortas. Pero la expansión del universo causó el alargamiento de esta longitud de onda. Esos fotones de longitud de onda alargada debida a la expansión son a los que nos referimos cuando hablamos del fondo de microondas. Éste es un remanente del Big Bang. Hemos sido capaces de medir la intensidad de este fondo de radiación que se ajusta casi perfectamente a lo que predicen los cálculos teóricos. Ésta ha sido una de las evidencias más rotundas a favor de la imagen del universo que proporciona el modelo del Big Bang.

Unos doscientos millones de años más tarde de todos aquellos sucesos, el universo estaba más frío y los átomos se unieron para formar las primeras estrellas que comenzaron a brillar en el espacio interestelar del joven universo. Así, durante diez mil millones de años, se fueron transmutando nuevos materiales en los nucleares, las estrellas masivas habían explosionado y dejado el rastro de nubes moleculares gigantescas, nacieron nuevas estrellas de II generación situadas en Sistemas solares que posibilitaron, presididos por una estrella mediana, amarilla de la clase G2V, que en un planeta situado a la distancia adecuada y con todos los ingredientes y parámetros necesarios, surgieran seres vivios a partir de la materia “inerte” evolucionada y, en alguna de aquellas especies, cuatro mil años más tarde, se llegó a adquirir la conciencia.

Personajes como Fred Hoyle, Brandon Carter, Eugene Wigner, Erwin Schrödinger, Martin Rees, Bernard Carr, Freeman Dyson y Tommy Gold, Lewis Wolpert y Sydney Brenner, Jhon Coway y Manfred Eigen y Grahan Cairns-Smith. Todos ellos grandes especialistas en sus campos que abarcaban desde la biología, las matemáticas, la genética hasta la astronomía y la astrofísica…Todos ellos y más tarde otros,  como Casrl Sagan, creyeron ciegamente en la existencia de la vida por todo el universo. Para ellos (y para mí también), era una regla inamovible y consustancial con la dinámica y el ritmo que marca el Universo para que la Vida, esté en él presente.

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