¿Somos polvo de estrellas?

Los componentes básicos que forman todos los seres vivos de la Tierra son solo un puñado, con una enorme preponderancia de oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre, que constituyen el 97,5% de nuestros cuerpos. En mucha menor cantidad, la naturaleza necesita otros microelementos bioesenciales, como el sodio, el potasio o el calcio, para construirnos. E incluso algunos elementos traza, como el cobre o el zinc, indispensables para los procesos enzimáticos. Y estamos convencidos de que estos elementos se fabrican en el interior de las estrellas.

Según el modelo con el que nos explicamos el origen del cosmos a partir del Big Bang, los únicos elementos presentes en el universo primitivo eran hidrógeno, helio y pequeñas cantidades de litio. Los elementos con números atómicos entre 4 (berilio) y 25 (manganeso) se habrían formado miles de millones de años más tarde, mediante la fusión progresiva de núcleos cada vez más pesados dentro de estrellas masivas, gracias a la combinación de las enormes presiones y temperaturas de los interiores estelares.

La creación de elementos más pesados que el hierro (número atómico 26) habría requerido la aparición de supernovas: la generación de hierro, a diferencia de la fabricación de los elementos más ligeros, no emite un exceso de energía y, por lo tanto, es incapaz de evitar que las estrellas colapsen por su propio peso. Al colapsar en forma de supernovas, estas estrellas producen neutrones de alta velocidad, que son capturados por los núcleos para crear precisamente los elementos más pesados que el hierro.

Cuando las estrellas mueren, liberan todos estos elementos, que se incorporarán eones más tarde a nuevos sistemas estelares en formación, y también a sus planetas y a todo lo que estos puedan contener, incluyendo procesos de química orgánica o seres vivos. De aquí surge el adagio “somos polvo de estrellas”, a partir de la célebre frase del astrónomo estadounidense Harlow Shapley en 1929: “Nosotros, los seres orgánicos que nos llamamos seres humanos, estamos hechos de la misma materia que las estrellas”.

Esta es la razón por la que ha generado tanto interés la hipótesis complementaria del geofísico japonés Mikio Fukuhara para explicar la generación de elementos más pesados que el litio en el universo. La palabra “complementaria” es importante aquí: la hipótesis de Fukuhara no discute el modelo del Big Bang, solamente ofrece otra posibilidad adicional para fabricar elementos pesados.

Según la hipótesis de Fukuhara, la creación de elementos más ligeros que el hierro podría no depender exclusivamente de las condiciones extremas que se alcanzan dentro de las estrellas muy masivas. Su hipótesis plantea la posibilidad de que en el interior de la Tierra también se hayan producido oxígeno, carbono y todos los demás elementos con números atómicos de hasta 25. Según su hipótesis, las reacciones de fusión de núcleos cada vez más pesados deben ocurrir también en el manto inferior de la Tierra, donde serían catalizadas por neutrinos y electrones excitados.

En un modelo preliminar publicado hace un año, Fukuhara ya propuso que el nitrógeno, el oxígeno e incluso el agua, cuyas concentraciones en la Tierra se han disparado con el tiempo, podrían haberse forjado en reacciones endotérmicas dentro del manto de la Tierra. Esas reacciones involucrarían a núcleos de carbono y oxígeno confinados dentro de la red cristalina de rocas de carbonato de calcio (aragonito) en el manto inferior, sometidos a grandes presiones y temperaturas durante el proceso de subducción de la litosfera al converger dos placas tectónicas.

Piones neutros

Fukuhara ya señaló entonces la posible objeción principal a su hipótesis: las temperaturas y presiones que se registran a profundidades de varios miles de kilómetros bajo la superficie terrestre son enormes, ciertamente, pero no tanto como para forzar a esos núcleos a unirse venciendo su repulsión mutua, lo que sí sucede en el interior de las estrellas. Sin embargo, Fukuhara aduce que la presencia de ciertas partículas subatómicas, conocidas como piones neutros, sería capaz de aumentar la atracción nuclear hasta el punto de forzar la fusión. Los piones serían generados por electrones excitados por la rápida fractura y deslizamiento de los cristales de carbonato, como una consecuencia no identificada hasta ahora de la tectónica de placas.

La nueva hipótesis de Fukuhara publicada ahora va un paso más allá, y muestra cómo estas reacciones de fusión en el manto podrían explicar la producción no solo de nitrógeno, oxígeno y agua, sino también de los 25 elementos más ligeros. Para demostrar la viabilidad de este mecanismo, calculó la energía mínima requerida para iniciar la reacción en cada caso.

Empezó los análisis con tres conjuntos de dos núcleos cada uno: magnesio y hierro, aluminio y magnesio, y aluminio y silicio. En los tres casos, observó que la combinación de temperatura, presión y catálisis reducía la distancia de interacción entre los núcleos de modo que podían fusionarse, produciendo azufre y titanio, sodio y silicio, y oxígeno y potasio, respectivamente. Fukuhara prevé realizar cálculos adicionales para averiguar si el mecanismo que ha identificado puede también generar elementos más pesados que el hierro.

Por supuesto, este mecanismo de fusión en el interior de la Tierra sigue siendo tan solo una hipótesis que necesita ponerse a prueba con experimentos adicionales, involucrando muy altas temperaturas y presiones. Pero, si se confirmara la producción de elementos pesados en el interior de los planetas rocosos con tectónica de placas, no seríamos exclusivamente polvo de estrellas.

Alberto González Fairén es investigador en el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) en Madrid, y en el Departamento de Astronomía de la Universidad Cornell en Nueva York.

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