Capítulo 11: Hechos de luz de estrellas antiguas

Noche 124: Una llama azul y redonda

El día 124 de la misión, la tarea principal de Noor era un experimento con fuego. El fuego es una de las cosas que más temen las personas de una estación espacial, así que el experimento se hizo dentro de una caja resistente y sellada, con ventanas gruesas, ventiladores especiales y muchas capas de seguridad. Noor dedicó la primera hora de la mañana a una lista de comprobación. Revisó los cierres, las cámaras, el suministro de gas y el ordenador que lo controlaría todo. Ade flotaba a su lado y leía cada línea en voz alta. Noor respondía a cada línea con una sola palabra, «comprobado», como hace un piloto antes del despegue.

Por fin, el ordenador colocó una gota diminuta de combustible en el centro de la caja y la encendió. En la Tierra, una llama tiene forma de lágrima. El aire caliente es más ligero que el aire frío, así que sube y estira la llama hacia arriba hasta formar una punta. En ingravidez, el aire caliente no sube, porque no hay un «arriba» hacia el que subir. Así que la llama de la pantalla de Noor era una bola pequeña, casi perfecta. Era suave y azul, y brillaba en silencio en la caja oscura, como un pequeño planeta hecho de luz.

La bola de fuego duró solo unos segundos. Después se acabó el combustible y la luz azul se apagó. Las cámaras lo habían grabado todo, y los científicos de tierra estudiarían las imágenes durante meses. Quieren entender cómo se comportan las llamas sin el aire que sube, porque eso les ayuda a entender también la combustión en la Tierra, en motores y en hornos. Noor y Ade repitieron la prueba seis veces, con pequeños cambios cada vez, y por la tarde ella tenía los ojos cansados de mirar la pantalla.

Esa noche, terminado el trabajo, Noor leyó un mensaje de Sami. Había visto un pequeño vídeo de la llama redonda que la tripulación había compartido con las escuelas. «Precioso», escribió. «Entonces, ¿el Sol es solo un fuego gigante como ese? ¿Está ardiendo ahí arriba?». Noor sonrió. Era una pregunta muy buena, y mucha gente cree que la respuesta es sí. La respuesta verdadera es más extraña y más maravillosa. También lleva a uno de los hechos más sorprendentes de toda la ciencia: la mayor parte del material del cuerpo de Noor, del cuerpo de Sami y de tu cuerpo se formó dentro de las estrellas.

Así que la historia de esta noche trata de cómo funcionan las estrellas y de lo que producen. Sigue a la noche anterior de este libro, cuando las ondulaciones del universo temprano crecieron hasta formar galaxias, reunidas por la materia ordinaria y por la misteriosa materia oscura. Esta noche miramos dentro de esas galaxias, a las propias estrellas, y descubrimos que no son solo lámparas. Son talleres.

Las estrellas no son fuegos

Un fuego, como la bola azul de la caja de Noor, es una reacción química. El combustible se une con el oxígeno del aire, y los átomos se reorganizan en moléculas nuevas. Eso desprende calor y luz. Pero en un fuego los átomos en sí no cambian. Un átomo de carbono del combustible sigue siendo un átomo de carbono en el humo. Solo ha cambiado la forma en que los átomos se dan la mano.

Si el Sol fuera un fuego gigante de este tipo, se habría apagado hace mucho tiempo. Habría durado solo unos pocos miles de años, no miles de millones. Y hay otro problema: un fuego necesita oxígeno del aire que lo rodea, y en el espacio no hay aire. Así que el Sol tiene que brillar de otra manera. Esa manera se llama fusión.

La fusión ocurre en el centro del Sol, en la parte llamada núcleo solar. Allí presiona el peso de todo el Sol, y la temperatura es de unos 15 millones de grados Celsius. Con ese calor y esa presión, los centros de los átomos de hidrógeno, sus núcleos, se mueven tan deprisa que chocan entre sí y se quedan pegados. Paso a paso, cuatro núcleos de hidrógeno se convierten en un núcleo de helio. El helio nuevo pesa un poquito menos que los cuatro núcleos de hidrógeno que lo formaron. Ese pedacito de materia que falta se ha convertido en energía, y esa energía es lo que hace brillar al Sol.

¿Por qué hace falta un calor tan enorme? Los núcleos de los átomos de hidrógeno tienen todos el mismo tipo de carga eléctrica, y las cosas con la misma carga se repelen, como dos imanes puestos del lado equivocado. En el mundo frío que nos rodea, los núcleos de hidrógeno nunca se acercan lo suficiente para unirse. Solo cuando se mueven extremadamente deprisa, con un calor extremo y bajo el peso de toda una estrella, algunos llegan a acercarse lo suficiente para quedarse pegados. Incluso en el núcleo del Sol, cada núcleo de hidrógeno suele esperar muchísimo tiempo antes de unirse con otro. El Sol brilla de forma constante porque contiene tantísimos núcleos que, cada segundo, un número enorme de ellos lo consigue.

Esta es la diferencia en una frase. En un fuego, los átomos cambian de pareja. En la fusión, los centros de los átomos se unen y se convierten en otro elemento. La fusión transforma el hidrógeno en helio. No se limita a reorganizar las cosas: crea algo nuevo. Por eso es tan poderosa. Cada segundo, el Sol convierte unos cuatro millones de toneladas de su materia en energía, y lleva haciéndolo unos 4600 millones de años. Aun así, solo ha usado una pequeña parte de su hidrógeno, porque el Sol es enorme.

Quizá ayude pensar en una panadería que trabaja toda la noche. En el horno caliente del centro, la masa sencilla se convierte en pan. En el núcleo de una estrella, el elemento más sencillo, el hidrógeno, se convierte en el siguiente, el helio. La luz que sale de la estrella es como el calor que sale por la puerta de la panadería. Notamos el calor, pero el trabajo de verdad ocurre muy dentro, donde no podemos verlo.

Las personas que descubrieron cómo brillan las estrellas

Durante mucho tiempo, la energía del Sol fue un enigma. En el siglo XIX, los científicos intentaron explicarla con la combustión, o con un Sol que se encogía lentamente y se calentaba al encogerse. Ninguna de esas ideas podía dar al Sol una vida lo bastante larga. Las rocas de la Tierra y el lento trabajo de los seres vivos parecían necesitar muchísimo más tiempo del que el Sol podía durar con cualquier proceso conocido. Quienes estudiaban las rocas y quienes estudiaban el cielo daban respuestas distintas, y nadie conseguía ponerlas de acuerdo.

La respuesta llegó de una nueva rama de la ciencia que estudiaba el núcleo, el centro diminuto del átomo. En las décadas de 1920 y 1930, los científicos aprendieron que los núcleos podían unirse y liberar energía. En 1939, un científico llamado Hans Bethe calculó, paso a paso, qué reacciones podían producirse en el núcleo de una estrella como el Sol. Demostró que la fusión del hidrógeno en helio podía mantener al Sol brillando durante miles de millones de años. El viejo enigma se resolvió con un cálculo cuidadoso, hecho en un escritorio con papel y lápiz.

Recuerda a Cecilia Payne, de una noche anterior. En 1925 descubrió que las estrellas están hechas sobre todo de hidrógeno y helio. Su descubrimiento y el cálculo de Bethe encajan como las dos mitades de un plato. Las estrellas están hechas sobre todo de hidrógeno, y el hidrógeno es su combustible. El helio es en parte lo que se formó en los primeros minutos del universo y en parte lo que las estrellas han producido desde entonces.

La siguiente pregunta era todavía más grande. Si las estrellas pueden producir helio, ¿pueden producir también otros elementos? En 1957, cuatro científicos, Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler y Fred Hoyle, escribieron un largo artículo que describía cómo las estrellas podían construir casi todos los elementos, uno tras otro, en distintas etapas de su vida. Fred Hoyle es la misma persona que años antes había dado su nombre al Big Bang en un programa de radio, aunque no estaba de acuerdo con esa idea. En esta cuestión, su trabajo ayudó a mostrar de dónde venía la mayoría de los elementos. Otros científicos trabajaban en la misma línea por aquella época, y en las décadas siguientes muchas observaciones confirmaron la imagen principal.

Piensa en cómo se construyó este conocimiento. Nadie ha visitado nunca el centro de una estrella. Todo se aprendió a partir de la luz, de experimentos con núcleos en laboratorios de la Tierra y de cálculos. Como tantos descubrimientos de este libro, fue el trabajo de personas en sus escritorios y en sus laboratorios, que revisaban las cifras de los demás, a veces durante muchos años.

Cómo termina una estrella grande

Una estrella como el Sol pasa la mayor parte de su vida convirtiendo hidrógeno en helio. Cuando el hidrógeno de su núcleo empieza a escasear, la estrella cambia. Sus capas exteriores se hinchan, y se convierte en una estrella grande, más fría y rojiza, llamada gigante roja. En su núcleo, los núcleos de helio empiezan ahora a unirse, formando carbono y oxígeno. Al final, una estrella como el Sol expulsa con suavidad sus capas exteriores al espacio, como una concha de gas brillante. Lo que queda es un núcleo pequeño, caliente y muy denso, llamado enana blanca, que se va enfriando despacio durante muchísimo tiempo.

Las estrellas mucho más pesadas que el Sol viven más deprisa y terminan de forma más espectacular. Su gran peso hace que sus núcleos estén más calientes, así que pueden llegar más lejos. Después del carbono y el oxígeno, producen neón, magnesio, silicio y, por último, hierro. La estrella queda dispuesta en capas, un poco como una cebolla, con los elementos más pesados más cerca del centro. Pero el hierro es el final de ese camino. Unir núcleos de hierro no desprende energía, sino que la consume. Así que, cuando el núcleo de una estrella grande se llena de hierro, su horno ya no tiene nada más que dar.

La velocidad de la vida de una estrella depende de su peso. Una estrella como el Sol tiene una vida total de unos 10 000 millones de años, así que ahora está más o menos a la mitad de su vida laboral. Las estrellas más pesadas agotan su combustible en solo unos pocos millones de años, que es un tiempo muy corto para una estrella. Es un poco como dos trabajadores con empleos distintos: uno trabaja a un ritmo constante durante toda una larga carrera, mientras que el otro trabaja a una velocidad furiosa y termina muy pronto. Los dos dejan algo detrás, pero el trabajador rápido deja los resultados más espectaculares.

Sin la energía que empuja hacia fuera, el núcleo se desploma en un instante bajo su propio peso. Las capas exteriores caen hacia dentro, rebotan y salen despedidas al espacio en una enorme explosión llamada supernova. Durante unas semanas, una sola supernova puede brillar tanto como toda una galaxia de estrellas. La explosión esparce el carbono, el oxígeno, el silicio, el hierro y muchos otros elementos que la estrella produjo durante su vida. También produce elementos nuevos con el calor violento de la propia explosión. Lo que queda en el centro puede ser una estrella de neutrones, una bola de materia tan densa que una cucharada pesaría tanto como una montaña, o, en los casos más pesados, un agujero negro.

Algunos de los elementos más pesados, como el oro, necesitan condiciones muy especiales. Durante muchos años, los científicos pensaron que un lugar posible era el choque de dos estrellas de neutrones. En 2017, los astrónomos observaron justo un choque así. Unos instrumentos capaces de percibir ondulaciones diminutas del propio espacio captaron la señal de dos estrellas de neutrones que giraban en espiral hasta juntarse, y después telescopios de todo el mundo vieron la luz del suceso. En esa luz encontraron señales de elementos pesados recién formados, entre ellos elementos como el oro. Hoy, los científicos creen que los elementos pesados proceden de varios tipos de sucesos, y todavía están calculando cuánto aporta cada uno.

Los elementos esparcidos no se pierden. Se mezclan con las nubes de gas y polvo que hay entre las estrellas. Más tarde, esas nubes se contraen y forman estrellas nuevas y planetas nuevos. Cada nueva generación de estrellas nace con un poco más de elementos pesados que la anterior. Una galaxia es como una cocina grande y lenta en la que se usan las mismas ollas una y otra vez, y cada comida deja un poco más de sabor para la siguiente.

Los átomos de tu cuerpo

Ahora volvamos a nosotros mismos. Tu cuerpo está hecho de muchos elementos. En peso, la mayor parte es oxígeno, casi todo en el agua que tienes dentro. Hay carbono en cada célula viva. Hay nitrógeno en las proteínas de tus músculos. Hay calcio en tus huesos y tus dientes. Hay hierro en tu sangre, que lleva el oxígeno desde los pulmones a cada parte de ti.

Casi ninguno de estos elementos existía en los primeros minutos del universo. Como vimos una noche anterior, aquellos minutos produjeron sobre todo hidrógeno y helio y una cantidad diminuta de litio. El carbono, el nitrógeno y el oxígeno de tu cuerpo se formaron más tarde, dentro de las estrellas. El calcio y el hierro también vinieron de las estrellas, en gran parte de estrellas que explotaron mucho antes de que naciera el Sol. En un sentido muy real, estás construido con los restos de estrellas que vivieron y murieron antes de que existiera nuestro sistema solar.

Hay una excepción importante. El hidrógeno de tu cuerpo, del agua que bebes y de la comida que comes no se formó en las estrellas. El hidrógeno es el elemento más sencillo, y casi todo procede de los primeros minutos del universo. Por número de átomos, el hidrógeno es el elemento más abundante de tu cuerpo. Así que llevas dentro los dos tipos de historia: el universo muy temprano, en tu hidrógeno, y el largo trabajo de muchas estrellas, en casi todo lo demás.

Lo mismo vale para todo lo que rodea a Noor en la estación. El aluminio de las paredes, el oxígeno de los tanques de aire, el silicio de los chips de los ordenadores y el carbono de su comida vinieron de las estrellas. El metal de la caja que contenía la llama azul se formó, átomo a átomo, en talleres estelares hace miles de millones de años. Incluso la luz de aquella llama azul salió de átomos que una vez estuvieron dentro de una estrella.

No es fácil sentir esto de todo corazón. Una taza de té no parece los restos de estrellas antiguas. Pero la próxima vez que sostengas algo pesado, una herramienta en el trabajo, una sartén en la cocina, una piedra de un camino, quizá recuerdes que sus átomos son más antiguos que la Tierra. Han viajado por el espacio, por nubes y por estrellas nuevas antes de llegar a descansar en tu mano.

Un mensaje para Sami

Al final del día, Noor entró flotando en su cabina de dormir y subió la cremallera del saco hasta el pecho. Pensó en la llama azul y redonda y en el Sol, que ese día había salido y se había puesto dieciséis veces para la estación. Abrió la pequeña tableta y escribió a Sami.

«No, el Sol no es un fuego», escribió. «Es una especie de horno donde el hidrógeno se convierte en helio. Las estrellas grandes producen también otras cosas: carbono, oxígeno, hierro. Cuando mueren, lo lanzan todo al espacio, y con eso se forman estrellas y planetas nuevos. El hierro de tu sangre se formó en una estrella. Así que, cuando estés cansado esta noche, recuerda que estás hecho de un material muy antiguo y muy resistente».

Hacia las tres de la madrugada, en una carretera tranquila muy abajo, Sami paró para su descanso. Leyó el mensaje dos veces, se comió un bocadillo y miró por el parabrisas unas cuantas estrellas brillantes entre las nubes. Respondió: «Material muy resistente. Se lo diré a mi espalda cuando levante las últimas cajas».

Quizá tú también estés terminando un día largo. Puede que tengas las manos cansadas, que te duela la espalda y que mañana ya esté esperando. Pero el material del que estás hecho ha pasado por el corazón de las estrellas. Esta noche solo necesita un buen descanso.

Malentendidos frecuentes

Mucha gente cree que cada átomo de su cuerpo se formó dentro de una estrella. Es una idea preciosa, y es cierta en gran parte, pero no del todo. La mayoría de los elementos de tu cuerpo, como el carbono, el oxígeno, el calcio y el hierro, se formaron efectivamente en las estrellas. Pero el hidrógeno, que forma parte de cada molécula de agua y de muchas moléculas de tus células, se formó en los primeros minutos del universo. Así que es más exacto decir que estás hecho de material del comienzo del universo y de las estrellas a la vez.

Mucha gente cree también que el Sol y las estrellas arden como un fuego. Es natural, porque son calientes y brillantes, y en el habla de todos los días se usa a menudo la palabra «arder» para ellas. Pero un fuego es una reacción química que necesita oxígeno y que solo cambia cómo están unidos los átomos. El Sol brilla por fusión: los centros de los átomos de hidrógeno se unen y se convierten en helio, y un poco de materia se transforma en muchísima energía. Por eso el Sol puede brillar durante miles de millones de años y por eso no necesita aire.

Por último, algunas personas creen que el oro y otros elementos pesados se formaron en el Big Bang, junto con todo lo demás. En realidad, los primeros minutos del universo produjeron solo los elementos más ligeros: hidrógeno, helio y un poco de litio. El universo se enfrió demasiado deprisa para construir nada más pesado. El oro y los demás elementos pesados se formaron mucho después, en sucesos extremos como el choque de estrellas de neutrones y probablemente en algunas estrellas que explotan. Así que el oro de un anillo es mucho más joven que el hidrógeno de un vaso de agua. En la próxima noche seguiremos a algunos de esos elementos esparcidos mientras se reúnen en una estrella nueva y sus planetas: el Sol y la Tierra.