El Origen del Sistema Solar (explicado con dos piedras)

El origen del Sistema Solar

Salga a la calle y recoja una piedra del suelo, ahora mismo hay más años de evolución estelar en su mano de lo que jamás hubiera podido imaginar. Una simple piedra contiene el origen del sistema solar, y no solo eso, sino el origen del Todo.

Entre una simple piedra común recién recogida del suelo y la “piedra” que encabeza este artículo distan unos 4600 millones de años, la primera lleva miles de millones de años transformándose en la Tierra, la segunda es en realidad un meteorito que ha llegado a nuestro planeta hace tan solo unas decenas de años. Ambas nos acompañarán a lo largo de estas líneas revelando hechos fascinantes toda vez que responden a una de las grandes interrogantes de la humanidad ¿de dónde venimos?

El Origen

Algo tan necesario a día de hoy en nuestras terrenales vidas como el reciclaje, y que a muchos aún les cuesta, es algo que el Universo lleva haciendo desde casi sus comienzos. Y es que tras el instante preciso del Big Bang hubo un momento denominado nucleosíntesis primordial1, cuya duración total ronda los 20 minutos2. Por muy increíble que pueda parecer, sólo durante esos ≈20 minutos se dieron las condiciones idóneas para que protones y neutrones se uniesen dando origen a la materia prima del universo, una cantidad ingente de hidrógeno, acompañado de una cantidad nada despreciable de helio e infinitesimales cantidades de litio y berilio.

El resto de elementos químicos naturales de la tabla periódica, como el carbono, el oxígeno, el hierro o el oro, entre muchos otros, son productos del reciclaje. Y es que los elementos químicos primordiales, que surgieron de la mencionada nucleosíntesis, formaron inconmensurables nubes que, con el paso del tiempo y mediante distintos mecanismos, fueron condensando en las estrellas primogénitas.

El reciclaje

Estas primeras estrellas denominadas estrellas de Población III o Pop.III eran inmensamente masivas y, al igual que ocurre con las estrellas del cine o de la música, desafortunadamente, cuanto más grandes son, más corta es su vida. Pero no debido a su éxito, sino al ritmo de sus reacciones de fusión nuclear provocada por la enorme masa de estas estrellas.

Se estima la longevidad de estas estrellas entre los 2 y los 5 millones de años, muy poco si lo comparamos con una estrella como el Sol, cuya edad actual se sitúa en torno a los 4.500 millones de años y cuya esperanza de vida se calcula en los 10.000 millones.

Los procesos de reciclaje

El método por el cual se “reciclan” los elementos químicos es la fusión nuclear que se lleva a cabo en el interior de las estrellas, o dicho de otro modo, las altísimas temperaturas y presiones a las que están sometidos los elementos ligeros como el hidrógeno desencadenan la fusión y como si de un crisol alquímico se tratase, se originan elementos químicos más pesados como, por ejemplo, el helio y este helio a su vez da origen al carbono y así sucesivamente hasta llegar al elemento más pesado que puede ser generado en los núcleos estelares, el hierro.

Pero ¿y el resto de elementos químicos? Resulta que no sólo en el seno de las estrellas se forman nuevos elementos, cuando una estrella masiva muere, lo hace en uno de los mayores espectáculos del universo, las novas; simplificando, estas novas se tratan de liberaciones explosivas de energía que favorecen la fusión nuclear de la envoltura que rodea al núcleo estelar. Esta fusión desencadena la formación de nuevos elementos químicos más pesados que el hierro, imposibles de ser generados en el interior de las estrellas como puede ser el galio o el arsénico.

Pero hay eventos aún más impresionantes como la fusión de estrellas de neutrones que consiguen crear elementos más pesados aún como el cesio o el osmio.

El origen de los elementos químicos

Y para ilustrar al lector, una tabla periódica donde se indica el origen de los elementos químicos:

El origen del sistema solar elementos químicos
Professor Chiaki Kobayashi, University of Hertfordshire, 2020

Este proceso de reciclaje se repite pues tras la formación de una estrella primordial (Población III), esta muere dejando tras de sí una nebulosa, con ciertos elementos químicos, que dará origen a una miríada de estrellas más pequeñas que la original, denominadas estrellas de Población II y estas, a su vez, formarán nuevos elementos químicos y tras su muerte nebulosas con más elementos químicos que darán origen a estrellas aún más pequeñas (estrellas de Población I).

Cada nueva generación de estrellas es más rica químicamente que la anterior gracias a esas fusiones nucleares tanto en el interior del núcleo estelar como con la propia muerte de las estrellas mediante las novas o la fusión entre estrellas.

Este proceso de reciclaje estelar muere con las estrellas de Población I que, debido a su ya baja masa, no serán capaces de crear una nebulosa capaz de engendrar nuevas estrellas, cediendo sus restos al espacio interestelar.

Nuestro Sol

La estrella a la que tanto debemos, pertenece a este grupo último de estrellas, el grupo más numeroso en cuanto a miembros, de menor masa que sus ancestros, pero más rico químicamente. Y es que no tenemos más que analizar esa simple piedra recogida del suelo para encontrar en su interior silicio, oxígeno, calcio o sodio, todos ellos productos generados mediante el reciclaje de aquella materia prima que se formó en tan solo 20 minutos.

Acabamos de ver cómo se forman los elementos químicos que podemos encontrar en una simple piedra común, y no sólo en una simple piedra, mire adonde mire a su alrededor, cualquier objeto, cualquier ser vivo, por nimio que parezca, tendrá entre su composición química los restos de una estrella.

The cosmos is within us. We are made of star-stuff. We are a way for the universe to know itself.

Carl Sagan

Fósiles del Sistema Solar

Los fósiles vegetales y animales, a pesar de llevar millones de años bajo tierra tienen mucho que contarnos si sabemos cómo leerlos. Existe en nuestro planeta otro tipo de fósiles, pero en este caso no se trata de seres vivos, sino de la evolución misma del Sistema Solar.

Estos fósiles son los meteoritos, rocas caídas del cielo, que contienen en su interior fotografías de la evolución de nuestro Sistema Solar a lo largo de sus etapas. Es más, sabemos más de aquello que rodea a la Tierra por estos mensajeros que por las misiones espaciales que hemos lanzado al espacio para escudriñar los confines del Sistema Solar.

Los meteoritos

Si el lector observa con detenimiento la imagen que encabeza este artículo se encontrará  con formas circulares de distintos colores y otras estructuras informes de color blanco, todo ello imbuido en una matriz más oscura.

Lo que vemos es una rebanada de un meteorito denominado Condrita Carbonácea de tipo CV3. Condrita porque está formado por cóndrulos, Carbonácea por la presencia de compuestos basados en el carbono como cetonas, alcoholes, hidrocarburos o aminoácidos entre más de seiscientos compuestos orgánicos y CV3 porque pertenece al grupo de Vigarano (un pueblo italiano donde se encontró por primera vez un meteorito con unas características distintas a los conocidos hasta el momento, dando así nombre a dicho grupo de condritas).

Detalle de los cóndrulos. CV3, colección personal del autor.

Los cóndrulos son unas esferas cuyo diámetro puede oscilar entre las décimas de milímetro hasta las decenas de milímetros. Estas pequeñas esferas se formaron de la fusión del polvo que había en la envoltura de polvo y gas que rodeaba a nuestro incipiente Sol. La agregación de estos cóndrulos dio origen a estructuras cada vez mayores, pasando de ser conjuntos de pequeñas esferas, a pequeños asteroides y de ahí, hasta llegar a tener el tamaño de planetas como la Tierra, era cuestión de acretar y de tiempo.

Y por si no fuese suficientemente sorprendente, este tipo de meteoritos se caracterizan por poseer CAIs.

Detalle de varios CAI. CV3, colección del autor.

Las manchas blanquecinas e informes se denominan CAIs por sus siglas anglosajonas que, traducidas a nuestro idioma, son Inclusiones ricas en Calcio y Aluminio. Estas inclusiones se han podido datar gracias a los isótopos 206Pb y 207Pb presentes en cuatro muestras de estos CAIs que han arrojado una edad de 4567,30 ± 0.16 Ma4 revelándose como los primeros sólidos formados como condensados del gas a alta temperatura (>1300 K) existente en los primeros estadíos del disco protoplanetario de nuestro Sistema Solar.

Además, estas inclusiones son refractarias, es decir, soportan altas temperaturas sin cambiar su estructura, es decir, se formaron cuando los alrededores del Sol eran increíblemente calientes y sólo estos materiales pudieron sobrevivir; por ello y porque se han incrustado en condritas, han podido sobrevivir fosilizados dentro de meteoritos como el mostrado y llegar hasta nuestros días enseñándonos cómo fueron los primeros momentos de nuestro Sistema Solar.

Para concluir

Recapitulando lo explicado hasta ahora, una nebulosa que ha nacido tras la muerte de una estrella que a su vez pasó por el mismo proceso dio origen a nuestra estrella y al Sistema Solar. En los primeros instantes de la formación del disco protoplanetario se formaron los CAIs, en los últimos momentos de la formación de estos primeros sólidos se formaron los cóndrulos y tanto los primeros como los segundos se agregaron formando las primeras rocas del Sistema Solar. Pero la pregunta que debemos responder es, ¿Cómo se pasa de esas condritas a una simple piedra común?

Hemos visto que los cóndrulos y los CAIs se agregan entre sí formando los primeros meteoroides del Sistema Solar, estos meteoroides acretan aumentando su tamaño paulatinamente pasando de ser meteoroides (su tamaño oscila entre los centímetros y el metro) a asteroides (a partir de un metro). Entre los muchos elementos químicos que hay en los cóndrulos, hay radioisótopos que decaen con el tiempo liberando energía. Esta liberación de energía calienta el material y, si el tamaño del cuerpo celeste es lo suficientemente grande, hace que poco a poco se vayan fusionando los cóndrulos, diferenciándose los distintos elementos químicos y, si el tamaño del asteroide es lo suficientemente grande tendrá una cierta gravedad que hará que los distintos compuestos químicos se ordenen por densidades.

Este proceso de diferenciación6 hace que los elementos más pesados como el hierro o el níquel se desplacen hacia el interior del asteroide y los elementos más ligeros queden situados en la parte externa del mismo. Si este proceso de acreción y diferenciación ocurre en un cuerpo durante el tiempo suficiente pasamos de tener un asteroide a tener un planeta enano cuyos elementos están diferenciados como es el caso de Vesta, pero si continuamos en la escala de acreción obtendremos cuerpos mayores como pudiera ser nuestro hogar, la Tierra.

Y esos primeros sólidos tras miles de millones de años de transformación en el espacio no tienen descanso. En nuestro planeta se suceden a escala geológica cambios que continúan mezclando, fusionando, erosionando, presionando y transformando esos materiales, dando origen a nuevos compuestos. 

Así pues, justo antes de volver a dar una patada a un guijarro que encuentre en su camino, o lanzar un canto rodado hacia la superficie de un lago intentando mejorar su marca de cabrillas (epostracismo) o simplemente dejar caer una piedra desde lo alto de un pozo para contar los segundos que tarda en alcanzar el fondo, piense en cómo el Universo ha reciclado aquel hidrógeno primigenio para cederle a usted un pedacito del cosmos. 

Una muestra de física y química tan bella que nos regala la naturaleza a diario y que, en un continuo proceso de reciclaje y evolución, dio lugar a la vida, pero eso… es otra historia.

El Origen del Sistema Solar

Bibliografía:

  1. Copi, Craig J; Schramm, David N; Turner, Michael S. Big-bang nucleosynthesis and the baryon density of the universe Science; Washington Tomo 267, N.º 5195,  (13 enero 1995): 192
  2. A Coc 2016 Journal of Physics: Conference Series. 665 (2016) 012001 doi:10.1088/1742-6596/665/1/012001
  3. Luciano, G. G. (2021). Primordial big bang nucleosynthesis and generalized uncertainty principle. The European Physical Journal.C, Particles and Fields., 81(12) doi:http://dx.doi.org/10.1140/epjc/s10052-021-09891-2
  4. C. Lorenz, M. Ivanova, A. Krot, V. Shuvalov, Formation of disk- and bowl-shaped igneous Ca,Al-rich inclusions: Constraints from their morphology, textures, mineralogy and modelling. Geochemistry, Volume 79, Issue 4, 2019, 125523, ISSN 0009-2819
  5. J.N.Connelly, J.Bollard, M.Bizzarro. Pb–Pb chronometry and the early Solar System. Geochimica et Cosmochimica Acta Volume 201, 15 Marzo 2017, Páginas 345-363
  6. Dunlap, D. R. (2020). Chronology of planetesimal differentiation based on the timing of achondrite formation in the early solar system. ProQuest Dissertations Publishing, 2020. 27955897

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Sobre esta publicación

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  • Mario López

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