Así contribuyen las supernovas a la evolución química del universo

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Las supernovas contribuyen a la evolución química del universo

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Supernova SN 2014J, detectada en la Galaxia Messier 82. NASA/CXC/SAO/R.Margutti et al, CC BY-SA
Josep M. Trigo Rodríguez, Institute of Space Sciences (ICE - CSIC)

Las supernovas, eventos visibles a distancias intergalácticas, se encuentran entre las explosiones más colosales que la humanidad haya contemplado jamás. Durante unos días, algunas pueden llegar a brillar tanto como una galaxia entera.

Tras ese estallido, un aluvión de elementos químicos se esparcen masivamente y, supernova tras supernova, desde el origen de los tiempos, se convierten en parte esencial de la evolución química del cosmos.

El surgimiento de las estrellas

La gravedad actuó sobre las nubes de gas que formaron las primeras galaxias y, localmente, comenzaron a formarse stars, algunas con una masa decenas de veces mayor que nuestro Sol.

Tras formarse, los elementos químicos de su interior comenzaron a fusionarse, generando reacciones termonucleares que son la razón de la luz de las estrellas. De este modo emiten luz durante decenas o miles de millones de años, dependiendo de su masa.

La energía limpia que generan produce elementos más pesados a partir de la fusión de los más ligeros. Al morir, lanzan a su entorno galáctico buena parte de los elementos químicos que han generado en su interior. Y así es como han contribuido y contribuyen a la transformación química del universo.

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La estrella luminosa y caliente Wolf-Rayet 124 (WR 124) se destaca en el centro de la imagen compuesta del James Webb, obtenidas por la cámara de infrarrojo cercano y el instrumento de infrarrojo medio. NASA, ESA, CSA, STScI, Equipo de producción de Primeras Observaciones Científicas (ERO) de Webb, CC BY

Los cinco elementos primordiales del universo

Incluso hoy en día, las estrellas están formadas mayoritariamente por hidrógeno y helio, elementos químicos que se formaron en los primeros instantes de nuestro universo. Esos dos elementos, junto con otros tres algo más escasos – litio, berilio y boro–, constituyen los cinco elementos químicos que surgieron de la llamada nucleosíntesis primordial tras la Gran Explosión (Big Bang).

Una estrella como el Sol emite luz de manera estable durante aproximadamente diez mil millones de años, la mayoría de ellos a partir de la energía generada tras la fusión del hidrógeno y otros elementos ligeros.

Las estrellas son las mágicas alquimistas que transforman los elementos químicos hasta que, un buen día, esos elementos que hacen de combustible se agotan.

El calcio de nuestros huesos y el hierro de nuestros glóbulos rojos

The primeros astros del universo sintetizaron el resto de elementos químicos que encontramos en la tabla periódica, desde el carbono de los seres orgánicos como nosotros y el oxígeno que respiramos o incorporamos como agua a nuestro organismo, hasta el calcio de nuestros huesos y el hierro de nuestros glóbulos rojos.

Los humanos somos materia estelar que la química orgánica ha llevado a la vida. Excepto el hidrógeno, el resto de elementos mayoritarios que nos forman se sintetizaron en el interior de estrellas que ya no existen. Desgraciadamente, no siempre somos conscientes de esa íntima conexión cósmica que ya apuntaba el mítico Carl Sagan.

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Los elementos químicos del universo según su fuente de origen. Adaptada de Jennifer Johnson (OSU) https://astronomy.osu.edu/people/johnson.3064

Supernovas: el final de una estrella masiva

Mientras que las estrellas de masa similar a nuestro Sol pueden lucir miles de millones de años, las estrellas más masivas reducen significativamente su vida debido a que necesitan más combustible nuclear para sostener su enorme masa.

Al fin y al cabo, dentro de las estrellas se mantiene un pulso cíclico entre la gravedad y la energía termonuclear que mantiene el gas en continua colisión. Esos ciclos son reacciones complejas que tienden a ser exotérmicas, es decir, generan calor.

Las estrellas más masivas que el Sol experimentan una fase al final de su vida que llamamos supernova. A partir de unas ocho masas solares y hasta una masa de varias decenas de veces la de nuestra estrella, sufren explosiones de supernova tipo II, como 2023ixf, una supernova detectada recientemente en la galaxia espiral M101.

En sus últimos días, esas estrellas masivas habrán agotado prácticamente el hidrógeno y el helio, y terminarán en un gigantesco colapso tras acumular hierro en su interior. El hierro genera reacciones endotérmicas, es decir, absorbe calor en vez de generarlo. A falta de energía interna, las capas externas de la estrella acaban desplomándose sobre el núcleo en cuestión de horas. Sin el calor requerido para sostener a la estrella, el colapso es inevitable.

La Supernova 1987A.  Esta composición contiene imágenes de rayos X de Chandra en azul, datos de luz visible de Hubble en verde y datos de longitud de onda submilimétrica de ALMA en rojo.
La Supernova 1987A. Esta composición contiene imágenes de rayos X de Chandra en azul, datos de luz visible de Hubble en verde y datos de longitud de onda submilimétrica de ALMA en rojo. X-ray: NASA/CXC/SAO/PSU/D. Burrows et al.; Óptico: NASA/STScI; Milimétrico: NRAO/AUI/NSF), CC BY-SA

Finalmente se alcanza un punto álgido en el que el interior se hace incompresible y las capas externas rebotan sobre él produciendo una colosal explosión. En esos momentos también se generan elementos químicos a altísima presión y temperatura, fruto de la llamada nucleosíntesis explosiva.

La evolución de la química del universo

Llegados a este punto, en el interior de la estrella se habrá producido una pléyade de elementos químicos de la tabla periódica que, al morir en colosal explosión, se esparcirán por el espacio circundante para enriquecer el medio interestelar. Por eso, estos fenómenos juegan un papel clave en la evolución química del universo.

Las estrellas con una masa inferior a ocho masas solares no llegan a supernova, pero sus capas externas acaban expandiéndose en la fase de gigante roja. El potente viento estelar dispersa otros elementos sintetizados en su interior, como el carbono y el nitrógeno, claves para la vida orgánica.

Todos estos variados fenómenos de muerte estelar se han producido desde la llamada Gran Explosión y, poco a poco, han ido enriqueciendo la composición de las nuevas estrellas formadas en sucesivas generaciones en el interior de las galaxias.

Justo en los últimos suspiros de esas supernovas surgieron los elementos químicos claves para finalmente formar… ¡planetas como la Tierra!The Conversation

Josep M. Trigo Rodríguez, Principal Investigator of the Meteorites, Minor Bodies and Planetary Sciences Group, Institute of Space Sciences (ICE - CSIC)

This article was originally published in The Conversation. read the original.