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18 diciembre 2019

Un viaje a la última frontera (I): Las atmósferas de las estrellas

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Cualquier viaje que el hombre pueda llevar a cabo, lo acabará realizando.

Esta máxima se ha cumplido de manera contundente durante toda la historia de la humanidad. Así, el hombre atravesó los océanos hasta dar la vuelta a la Tierra, escaló las montañas más altas y caminó sobre la superficie de la Luna. Para ello necesitó que una combinación adecuada de ciencia y tecnología le proveyeran de los medios materiales para realizar un viaje que en muchas ocasiones sería sin retorno. No hace falta remontarse a tiempos lejanos para comprender este alegato, hoy día la lista de voluntarios para llegar a Marte con solo un billete de ida es muy larga. La capacidad de la humanidad para realizar estos viajes va, sin lugar a dudas, de la mano de los avances científico-tecnológicos, ya que para alcanzar esos límites geográficos el hombre ha necesitado de invenciones que le dotasen, de manera artificial, de aquellos atributos que la naturaleza no le ha dado.

Sin embargo, esos lugares extremos no son siempre alcanzables. Un viaje al centro de la Tierra es imposible para nuestra especie porque allí las temperaturas y presiones son tales que ningún ser vivo o máquina aguantaría en estado sólido. Hay lugares a los cuales solo podremos “llegar” con robots, cálculos teóricos, simulaciones de laboratorio o imaginación. Los tres primeros medios son parte del conocimiento científico, mientras que el último es el dominio de la ciencia ficción, donde las leyes que rigen el universo se modifican para que, en ese mundo fantástico, se pueda viajar a donde ningún hombre había llegado antes. La humanidad tiene que aceptar sus limitaciones y conformarse con observar estos lugares desde lejos sin poder adentrarse en ellos. Inconformista con su destino, la sociedad ha inventado microscopios avanzados que nos permiten escudriñar el interior de la materia o potentes telescopios que nos pueden enseñar como es la última frontera del espacio.

Las estrellas moribundas

Uno de esos entornos imposibles son las estrellas moribundas y la zona alrededor de ellas. Muchas estrellas, como le ocurrirá a nuestro sol, al haber consumido prácticamente la totalidad de su combustible, aumentan de tamaño y se enfrían, convirtiéndose en lo que conocemos por una gigante roja. Este es el final de su ciclo de vida  y en ese momento envían al espacio los átomos que han producido. En su viaje desde la superficie de la estrella hacia el medio interestelar, estos átomos se irán agrupando para formar moléculas y granos del tamaño de unos pocos nanómetros. Este detritus o residuo de la estrella es lo que se conoce como polvo cósmico, una combinación de pequeñas partículas junto con gases que irán evolucionando debido a su interacción con la radiación y creciendo debido a las colisiones con otros granos y moléculas. El polvo cósmico irá incrementando su tamaño hasta dar lugar a sistemas planetarios y, dentro de ellos, a planetas como la Tierra. Así pues, podemos decir que todo y todos venimos del polvo cósmico. 

Gigante roja. Crédito: Alma Observatory

Se suele decir que la atmósfera de la Tierra tiene un tamaño que guarda la misma proporción que la piel de la naranja con la naranja. Sin embargo, una estrella del tipo gigante roja lleva asociada una atmósfera que se extiende hasta 50 veces su radio.  Los átomos emitidos desde la estrella, cuando llegan a una zona entre 2 y 4 veces el radio de la misma, sienten que la temperatura ha decrecido lo suficiente como para que actúe la química y puedan agruparse formando las primeras moléculas. Esta zona es como una nube densa y cálida, velada a nuestra observación debido a la alta cantidad de nanopartículas, átomos y moléculas que se forman.

La astroquímica, una rama de la astronomía dedicada a estudiar las reacciones químicas en el cosmos, ha logrado identificar usando potentes radiotelescopios, como ALMA, o telescopios espaciales que captan imágenes en infra-rojo, como Herschel, más de 150 moléculas que se han formado en el espacio. ALMA es una red de radiotelescopios situada en el desierto de Atacama (Chile), que comenzó a funcionar a plena potencia en 2015 y desde entonces está proveyendo a los astrónomos de imágenes de estrellas con una resolución lateral y espectral sin precedentes. Gracias a estas imágenes, los astrónomos pueden afirmar que en las regiones cercanas a las estrellas hay mucha más diversidad química de la que se pensaba.

El “viaje” a su atmósfera

En 2013, tres investigadores aceptamos el reto de realizar un viaje a la atmósfera de las estrellas moribundas utilizando para ello una máquina de laboratorio que reprodujese, en la medida de lo posible, las condiciones físicas de estos lugares tan inhóspitos y que nos permitiese llegar a formar materiales de composición análoga al polvo cósmico. A esta máquina la llamamos, como no podía ser de otra forma, Stardust, y para su diseño y montaje utilizamos tecnología de ultra alto vacío.  Los grupos de investigación de José Cernicharo (experto en radioastronomía), Christine Joblin (experta en astrofísica de laboratorio) y José Ángel Martín Gago (experto en física de superficies y ultra-alto vacío) nos reunimos para solicitar del Consejo Europeo de Investigación de la Unión Europea (más conocido por su nombre en inglés, European Research Council, o sus siglas ERC) uno de los llamados “contratos sinérgicos” que nos permitiese, entre otras cosas, construir esta máquina. El proyecto, llamado NANOCOSMOS, fue financiado y durante los últimos cinco años hemos estado trabajando en su diseño y montaje, materializando una idea que comenzó en una servilleta de papel durante la primera reunión en una cafetería, que evolucionó con los primeros diseños técnicos y que finalmente se hizo realidad: 

Máquina Stardust, del proyecto NANOCOSMOS.

En octubre de 2019 se publicó el primer artículo científico relacionado con los resultados obtenidos en Stardust (Nature Astronomy, 2019). En él estudiamos la química de carbono e hidrógeno, principales constituyentes de la fotosfera de muchas estrellas evolucionadas y concluimos que éstos, en fase gaseosa y en esas concentraciones, dan lugar a la formación de partículas de carbono nanométricas y cadenas carbonadas similares a las que se encuentran en el petróleo. Nuestro trabajo, contra lo que se piensa, comprueba que las moléculas aromáticas, esenciales para la vida y omnipresentes en la Tierra, no se forman en estas zonas del cosmos.

El ERC seleccionó una serie de proyectos para realizar un cómic basado en las ideas científicas financiadas por la institución. NANOCOSMOS fue uno de los proyectos seleccionados y el cómic resultante, de Lorenzo Palloni, se titula ESTRELLA y es un relato de ciencia-ficción que puede leerse en la web.
Imagen de ESTRELLA, el cómic de Lorenzo Palloni inspirado en NANOCOSMOS. Crédito: European Research Council

Así, para llegar a estos lugares distantes e imposibles, la humanidad utiliza su capacidad intelectual para construir equipos de simulación que, como naves espaciales, nos desvelen los secretos del “espacio: la última frontera”.

 

José Ángel Martín Gago

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