De dónde obtienen su energía las estrellas y cómo lo

¿De dónde obtienen su energía las estrellas y cómo lo sabemos?
Estamos tan acostumbrados a pensar en las estrellas como pequeños puntos brillantes en el cielo
nocturno que raramente nos paramos a pensar en el porqué de ese brillo.
A diferencia de las muchas explicaciones mitológicas sobre su naturaleza física (y en general sobre
la de los cuerpos celestes) que se remontan a buen seguro al Neolítico, las primeras hipótesis
científicas sobre qué podría estar produciendo la energía que emiten estos cuerpos celestes surgen
con el nacimiento de la ciencia moderna. Ya Newton aventuró que el sol estaba constituido por un
gas incandescente, y que se mantenía cohesionado debido a su propia atracción gravitatoria. Sin
embargo, no estaba claro qué fuente de energía podría mantener el gas a una temperatura tan
elevada como para permanecer incandescente y no acabar enfriándose con el paso del tiempo, al
radiar todo el calor al espacio.
Nuestro astro rey, el sol.
Los científicos son capaces de medir exactamente la potencia que radia nuestra estrella. Dicha
potencia es igual a 3.84x1026 W. Utilizando un teorema que surge en la física clásica en el siglo XIX
y que se conoce como el teorema del virial, los científicos pudieron estimar la temperatura del
interior del Sol: 10 millones de grados centígrados.
La potencia radiada por el astro rey no puede ser atribuida a ningún tipo de combustión química. Si
tenemos en cuenta la energía que liberan las reacciones químicas por unidad de masa, para
mantener ese ritmo de producción de energía el Sol debería consumir todo su combustible (es decir
consumir toda su materia y extinguirse) en millones de años... Sin embargo los geólogos habían
datado la Tierra ya a principios del siglo XX, resultando una edad del orden de miles de millones
de años. Es decir, teniendo en cuenta que la Tierra y el resto de los planetas del sistema solar
nacieron simultáneamente, hace ya tiempo que el Sol debería haberse extinguido y nuestro planeta
debería ser un mundo yermo y oscuro.
La solución a este enigma empieza a vislumbrarse a principios del siglo XX, cuando Rutherford
descubre el núcleo atómico y las reacciones nucleares. Asimismo Einstein llega a una de las
conclusiones más sorprendentes de su teoría de la relatividad especial, la masa puede convertirse en
energía, según la conocida ecuación E=mc2 , de tal forma que es posible producir una gran cantidad
de energía con cantidades ínfimas de materia.
Esto es debido a que el valor de la constante c que aparece en la fórmula, la velocidad de la luz, es
muy grande (3x108 m/s). Así un kg de materia que se transforme totalmente en energía produce 2.5
x 1010 kWh. Para que nos hagamos una idea, la energía contenida en 90 kg de cualquier material
bastaría para abastecer a España durante un año.
La Separata. Mayo de 2015. ISSN: 2444-7668
¿Qué tiene que ver todo esto con la producción de energía en las estrellas? Lo veremos a
continuación.
Una de las formas en la que se libera la energía contenida en la materia es una reacción de fusión
nuclear. Consideremos que la fusión nuclear consiste en producir un núcleo más pesado a partir de
otros más ligeros y que, el núcleo más pesado resultante tiene una masa que es ligeramente menor
que la suma de las masas de los núcleos reaccionantes. Esto es posible debido a que un núcleo es
más estable cuanto menos energía posee (en general una situación estable en física corresponde a la
mínima energía). Así, el núcleo producto de la fusión de otros dos tiende a librarse de la energía en
exceso transformando parte de su masa en energía, que se desprende al medio en forma de radiación
y calor.
El físico nuclear Aston, a principios del siglo XX fue el primero que sugirió que, al ser la masa del
helio menor que la de la suma de sus constituyentes (cuatro nucleones, o partículas que forman el
núcleo, dos neutrones y dos protones en el caso del helio), es posible que este elemento se generase
como resultado de procesos de fusión.
Francis William Aston (1877-1945).
Ahora bien, la fusión nuclear del helio requiere para iniciarse condiciones muy extremas de presión
y temperatura y resulta que estas condiciones pueden encontrarse en el interior de las estrellas.
También requiere que haya hidrógeno como combustible y una estrella tiene una masa ingente de
hidrógeno. Fueron los físicos Hans Bethe y Fritz Houtermans los que propusieron esta idea de la
fusión nuclear de hidrógeno como mecanismo de producción de energía de las estrellas y
describieron por primera vez los mecanismos de las reacciones nucleares que mantienen encendidas
las estrellas.
En esencia, tal y como había conjeturado Aston, el helio se genera en el núcleo del Sol, por la fusión
de cuatro núcleos de hidrógeno, desprendiendo dos fotones y dos partículas de las que diremos algo
al final: los neutrinos. Estas partículas, sobre todo los fotones, llevan la energía resultado de la
conversión de la masa de los nucleones (que son las partículas que componen el núcleo atómico). El
proceso está controlado por las condiciones de presión y temperatura que impone el equilibrio
hidrostático de la estrella: se requieren procesos de fusión para calentar el plasma (el gas de núcleos
y electrones que constituye una estrella) lo suficiente como para que la presión del gas equilibre la
tendencia de la estrella a colapsar por su propio peso. En el caso de una estrella como el Sol la
fusión nuclear, mediante el mecanismo protón-protón, es lo suficientemente eficiente para justificar
la emisión de energía que se observa y para mantener el equilibrio hidrostático durante un periodo
lo suficientemente largo (unos diez mil millones de años, compatible con la edad del sistema solar.
Aún nos quedan 5000 millones de años antes de que nuestra estrella se transforme en “gigante
roja”, dejemos eso para otro artículo).
En realidad actúan dos mecanismos de producción energía en el Sol: la cadena protón-protón (el
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predominante, que es el que produce helio) y el llamado ciclo CNO (llamado así, porque produce
también carbono, nitrógeno y oxígeno), el cual produce poca energía en relación al primero y se va
haciendo más importante a medida que las estrellas envejecen y llega a ser el principal en otra fases
de la evolución de las estrellas.
De esta forma esta reacción nuclear que transforma el hidrógeno en helio es la fuente de energía del
sol y también de la mayor parte de las estrellas de la Vía Láctea en la etapa de su vida conocida
como secuencia principal. Así como la fuente de energía de la que provienen todas las demás en la
Tierra. Es la contracción gravitatoria de una estrella al inicio de su vida lo que crea las condiciones
de temperatura y presión necesarias para que se produzca la fusión nuclear en su interior.
Además, salvo los elementos más ligeros de la tabla periódica, del hidrógeno al boro, que pudieron
generarse en las condiciones del Big Bang, todos los elementos químicos se han generado gracias a
procesos de fusión nuclear en el interior de las estrellas. El estudio de los procesos nucleares
exactos que permiten la distribución de los elementos químicos que observamos en el Universo se
conoce como astrofísica nuclear.
El núcleo de las estrellas es una de las regiones más herméticas de todo el Universo y nos sería
prácticamente inaccesible, de no ser por la existencia de las fantasmales partículas mencionadas
anteriormente, que se emiten desde el núcleo durante las reacciones nucleares, los neutrinos.
Interactúan tan débilmente con el resto de las partículas que podrían atravesar un año luz de plomo
sin dejar ni rastro de su paso. Estos neutrinos pueden traspasar un medio tan denso como el interior
de los hornos nucleares y constituyen la evidencia más clara de que las reacciones nucleares
mantienen las estrellas en funcionamiento. Siendo tan escasas sus interacciones con la materia, se
requiere un flujo de 1010 neutrinos/cm2 .s (que es el que se recibe en la superficie terrestre
proveniente del Sol e indica una elevada actividad nuclear) y una avanzada tecnología de
detectores, para que sea posible obtener la imágen que se muestra más abajo. El Sol brillando en
neutrinos, ¡evidencia de las reacciones nucleares en su interior!
Una prueba de que las reacciones nucleares producen la energía solar: el “brillo de los neutrinos”
emitidos por el Sol. ( Detector Superkamiokande en Japón).
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De esta forma vemos que una de las ramas más antipáticas de la física, o al menos con peor fama, la
física nuclear es junto con la gravedad el motor que nutre la producción de energía en el Universo.
De hecho también produce en los reactores nucleares más finamente ajustados que existen (las
estrellas) todos los elementos químicos más pesados que el boro.
Adrián Ayala Gómez es licenciado en Física por la universidad de Sevilla.
Desde 2013 pertenece al departamento de Física Teórica y del Cosmos de la Universidad de
Granada, donde realiza la tesis doctoral sobre Astrofísica. Su investigación se centra en evolución
estelar de estrellas de baja masa y su relación con partículas más allá del modelo standard.
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