domingo, 28 de diciembre de 2014

Mensajes amables de fin de semana: el fin de las estrellas


Estimados Clientes y/o amantes del LEAN:

En el presente escrito hacemos una breve descripción del destino que le espera a las estrellas:
El destino de nuestro Sol , dentro de 5.000 millones de años, será acabar como una “enana blanca”, bolas superdensas de materia nuclear entremezclada con un mar de electrones
Así acabarán también el 95% de las estrellas de nuestra galaxia
Es una bola de materia que resiste a la presión aplastante de su propia gravedad gracias al Principio de Exclusión de Pauli
Podemos calcular la mayor masa posible de estas estrellas. Fue Chandrasekhar en 1930 quien realizó por primera vez ese cálculo, que utiliza la teoría cuántica y la relatividad
Nunca veremos una enana blanca cuya masa sea mayor que 1,4 veces la masa del Sol
Nuestro punto de partida es : ¿Qué es una estrella?:
El universo visible está compuesto principalmente de hidrógeno y helio, los dos elementos más sencillos que se formaron en los primeros minutos tras el Big Bang
Después de alrededor de 500 millones de años de expansión, el universo se ha enfriado lo suficiente para que las regiones ligeramente más densas se empezaran a concentrar bajo su propia gravedad
El gas en estas primeras protoestrellas se fue calentando a medida que se contraían sobre sí mismas (cuando un gas se comprime, se calienta)
Cuando el gas alcanza temperaturas del orden de los 100.000 grados, los electrones ya no pueden permanecer en órbita alrededor de los núcleos de hedrógeno y helio, y los átomos se descomponen, dejando un plasma caliente de núcleos desnudos y electrones
La gravedad gana la partida; los protones se repelerán entre sí pero, a medida que la contracción gravitatoria continúa, los protones se mueven cada vez más rápido. Llega un momento, a millones de grados, en el que los protones se mueven tan deprisa que llegan a aproximarse entre sí lo suficiente para que la fuerza nuclear débil  asuma el mando.
Lo que ocurre en este caso es que un protón se transforma en neutrón, con la emisión un positrón y un neutrino


 
 

 
Libres de la repulsión eléctrica, el protón y el neutrón se fusionan bajo el influjo de la fuerza nuclear fuerte para dar lugar a un deuterón: el proceso libera cantidades enormes de energía, porque, como sucede también en la formación de una molécula de hidrógeno, el hecho de enlazar cosas libera energía
Esta fusión neutrón-protón da comienzo a una reacción en cadena. El propio deuterón está deseoso de fusionarse con un tercer protón para producir una versión ligera del helio (llamada helio 3) con la emisión de un fotón
Estos núcleos de helio a continuación se emparejan y se fusionan para dar lugar a un helio normal (o helio 4) con la emisión de dos fotones
 
 
En cada estadio, la fusión libera cantidades crecientes de energía
Por si esto no fuera suficiente, el positrón que se ha emitido al principio de la cadena también se fusiona rápidamente con uno de los electrones del plasma que lo rodea para producir un par de fotones
Toda esta energía liberada contribuye a la aparición de un gas caliente de fotones, electrones y núcleos que ejerce una presión hacia el exterior que se contrapone a la de la materia atraída hacia el interior hasta llegar a detener la contracción gravitatoria
Esto es una estrella: la fusión nuclear consume combustible nuclear en el núcleo, y esto genera una presión hacia fuera que estabiliza la estrella contra la contracción gravitatoria
La cantidad de hidrógeno que se puede consumir como combustible es limitada
Si la masa de la estrella es suficientemente grande, el núcleo se calentará hasta temperaturas de 100 millones de grados
Entonces el helio, que se había producido como residuo en la fase de combustión del hidrógeno, entra en ignición, fusionándose entre sí para producir carbono y oxígeno, y de nuevo la contracción gravitatoria se detiene temporalmente
¿Qué sucede cuando se les acaba el helio?: sus electrones se apiñarán, llegará un momento en que el Principio de Pauli entre en acción y detenga la contracción.
Este es el destino de las estrellas con masa inferior a 1,4 masas solares: se convierten en enanas blancas; la gravedad queda frenada por el Principio de Exclusión de Pauli
Pero para estrellas más masivas, incluso el Principio de Exclusión de Pauli tiene sus límites
Al mismo tiempo que la estrella se contrae y los electrones se apiñan, el núcleo se calienta y los electrones se mueven cada vez más rápido
Si la masa de la estrella es suficientemente grande, los electrones acabarán moviéndose tan rápido que se aproximarán a la velocidad de la luz, y es entonces cuando sucede algo nuevo
Cuando se acercan a la velocidad de la luz, la presión que los electrones son capaces de ejercer para resistirse a la gravedad se reduce hasta tal punto que dejan de estar a la altura de su cometido
Para estrellas con masas superiores a 1,4 veces la del Sol, los electrones pierden y la gravedad gana
Cunado una estrella masiva implosiona, aún le quedan dos opciones. Si no es demasiado pesada, seguirá apiñando los protones y los electrones hasta que también estos puedan fusionarse para producir neutrones
En particular, un protón y un electrón se convierten espontáneamente en un neutrón con la emisión de un neutrino, de nuevo a través de la fuerza nuclear débil
De esta manera, la estrella se transforma inexorablemente en una diminuta bola de neutrones
En palabras del físico ruso Lev Landau, la estrella se convierte en un núcleo gigantesco
Aún no hemos dicho cómo logran estos neutrones contrarrestar la gravedad y evitar que continúe la contracción….los neutrones están sujetos al Principio de Pauli
Y también son capaces de detener la contracción por lo que, como las enanas blancas, las estrellas de neutrones representan un posible estadio final en la vida de las estrellas
Solo queda una opción más para las estrellas más masivas del universo, estrellas en las que incluso los neutrones se mueven a velocidades cercanas a la de la luz
A estos gigantes les espera el desastre, porque los neutrones ya no son capaces de generar suficiente presión para resistir la gravedad
El resultado es un agujero negro, un lugar donde las leyes de la física tal como las conocemos se vienen abajo
Para entender debidamente el funcionamiento interno de un agujero negro sería necesaria una teoría cuántica de la gravedad que a día de hoy no existe
ANEXO:
Las partículas de la Naturaleza (el Modelo Estándar de la Física de Partículas)
 
 
Todo lo que podemos ver y tocar, todos los seres que pueblan la Tierra, todos los planetas y todas las estrellas de las 350.000 millones de galaxias del universo observable están formados por las cuatro partículas de la primera columna
Nosotros somos una combinación de solo tres de ellas : los quarks up y down y el electrón
Los quarks componen los núcleos atómicos y los electrones se encargan de la química
Un protón está formado por dos quarks up y uno down
Un neutrón está formado por un quark up y dos downAlrededor de 60.000 millones de neutrinos, procedentes del Sol, atraviesan cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo cada segundo
Los neutrinos desempeñan un papel fundamental en los procesos que generan la energía del Sol, gracias a lo cual hacen posibles nuestras vidas
Estas cuatro partículas forman un conjunto conocido como “primera generación de la materia” y, junto con las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza, son aparentemente todo lo que se necesita para construir un Universo
Por razones que aún no comprendemos, la Naturaleza ha decidido ofrecernos dos generaciones adicionales, clones de la primera salvo por el hecho de que las masas de las partículas son mayores. Están representadas en la segunda y tercera columnas de la figura 
En la columna de la derecha se muestran las partículas que transmiten las fuerzas
El fotón es el responsable de transmitir la fuerza electromagnética entre partículas de carga eléctrica
Las partículas W y Z se encargan de la tarea análoga para la fuerza débil
Los gluones hacen lo propio para la fuerza fuerte
La gravedad no se representa en la tabla porque no disponemos de una teoría cuántica de la gravedad que encaje fácilmente en el marco del Modelo Estándar: la Teoría de Cuerdas constituye un intento de meter en vereda la la gravedad pero, hasta la fecha, su éxito ha sido limitado
Las principales diferencias entre las descripciones cuánticas de las distintas fuerzas tienen que ver con las reglas de desintegración
Fuentes:
El Universo cuántico , de Brian Cox & Jeff Forshaw
Fusión protón-protón: 
 
Detalles de las reacciones nucleares implicadas :

 

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