¿De qué están hechas las estrellas?

La pregunta, que más nos hacen, no sólo los niños sino todas las personas en general, cuando salimos a las calles a dar talleres o charlas, es sin duda: ¿De qué están hechas las estrellas?

Hoy intentaremos dar una respuesta que pueda ser comprensible y que a la vez no pierda esa formalidad, que tanto aman los investigadores cuando están dando una charla somnífera a un público que se siente tan maravillado como absorto debido a los términos que se suelen usar. Y no es para menos, ¿Cómo explicar de forma complicada algo que podemos ver tan sólo alzar la mirada, ya sea en el día con el Astro Rey o en la noche cuando hay un cielo despejado y libre de contaminación lumínica?

La respuesta rápida que podríamos dar para satisfacer a esos curiosos, urgidos de conocimiento exprés, es que son enormes esferas de gas, cientos de miles o millones de veces más masivas que la Tierra a miles de millones de kilómetros de nosotros. Listo. Pasemos a la siguiente pregunta…

Ojalá la respuesta fuera tan sencilla como eso, sin embargo para tener una respuesta más acertada y poder entenderla del todo, habría que cursar una carrera en física, otra en química y probablemente alguna ingeniería, después cursar una Maestría, de preferencia en astronomía, entender los conceptos que no se entendieron en la carrera de termodinámica, mecánica clásica, mecánica cuántica y electromagnétismo… ¡Y listo! Ya estamos listos para entender lo que es una estrella, o no…

Pero pongámonos serios, lo primero que tenemos que saber es que se necesitan varios conceptos para entender una estrella, sobre todo a lo que se refiere a su formación. Que si bien sabemos, la mayoría de ellas surgen a partir de una nube de gas y polvo, es necesario que se tengan ciertas condiciones para que entonces la estrella «nazca».

• Equilibrio hidrostático: Se refiere a cuando la fuerza de la gravedad tira del material estelar hacia el centro y éste a su vez se resiste por la fuerza de presión debido a los movimientos térmicos de las moléculas de gas.

• Distribución de masa: Cuánta masa podemos contener dentro de una esfera de cierto radio (tamaño).

• Producción de energía: Expresa cómo se conserva la energía, ya que cualquier energía producida en la estrella se debe llevar a la superficie e irradiarse.

• Gradiente de temperatura: Da el cambio de temperatura en función de la distancia al centro.

Parece que no hay forma de evadir esos temas raros que tanto nos confundían en la escuela, no tengamos miedo y avancemos. Lo anterior no son más que las condiciones de equilibrio necesarias para que, en principio, se pueda formar una estrella. Como cuando vamos a cocinar y necesitamos tener todos los materiales, pero además el horno a una cierta temperatura, dejar nuestro guiso cierto tiempo y con la cantidad correcta de ingredientes. La idea es que éstas, estén en equilibrio.

Debido a la alta temperatura, el gas de las estrellas está casi completamente ionizado, es decir, sin sus electrones de la orilla (imaginen la temperatura que se necesita para que eso pase). Las interacciones entre partículas individuales son pequeñas, de modo que, en una buena aproximación, el gas obedece a la ecuación de estado perfecta del gas, vamos, que en algún momento teníamos que poner una ecuación:

donde k es la constante de Boltzmann, μ es el peso molecular medio en unidades de m_H la cual es, la masa del átomo de hidrogeno. Básicamente, si tenemos datos como la densidad y conocemos la temperatura del gas, podremos saber cuanta presión se está generando y cuanta gravedad vamos a necesitar para que esa «bola de gas» esté en perfecto equilibrio y con esto, se «encienda» una nueva estrella.

Pero volvamos un poco… Hidrogeno… Justo aquí empezamos a dilucidar nuestra pregunta inicial y que le da sentido a todo lo que se sabe y conoce del Universo. En otra entrada, hablaremos de cómo el hidrogeno es lo que más abunda en el Universo (observable) y cómo es que éste es el responsable de que existan las estrellas… Y todo lo demás.

Al derivar las ecuaciones de la estructura estelar, la fuente de energía no se especifica. Sin embargo, conociendo una luminosidad estelar típica, se puede calcular cuánto durarían las diferentes fuentes de energía. Por ejemplo, la combustión química normal podría producir energía durante solo unos pocos miles de años. La energía liberada por la contracción de una estrella duraría un poco más, pero después de unos pocos millones de años esta fuente de energía también se agotaría.

La evidencia biológica y geológica terrestre muestra que la luminosidad solar se ha mantenido bastante constante durante al menos unos pocos miles de millones de años. Dado que la edad de la Tierra es de unos 5000 millones de años, es de suponer que el Sol ha existido al menos durante ese tiempo.

Partiendo de que conocemos las condiciones generales del interior solar, independientemente de la fuente de energía exacta. Y se ha estimado que la temperatura a la mitad del radio es de unos 5 millones de grados. La temperatura central debe ser de unos diez millones de kelvin, que es lo suficientemente alta como para que se produzcan reacciones de fusión termonuclear.

Es bien sabido que en las reacciones de fusión, los elementos ligeros se transforman en otros más pesados. Los productos finales de la reacción tienen una masa total menor que los núcleos iniciales. Esta diferencia de masa se libera como energía según la relación de Einstein E = mc². Las reacciones termonucleares se denominan comúnmente combustión, aunque no tienen relación con la combustión química de combustibles ordinarios.

Si suponemos que las estrellas se componen principalmente de hidrógeno y consideramos cuánta energía se liberaría por la fusión de cuatro núcleos de hidrógeno en un núcleo de helio, haciendo unas cuantas cuentas, obtendríamos que la energía liberada es comparable a la necesaria para tener una estrella promedio.

Ya en la década de 1930 se aceptaba generalmente que la energía estelar debía producirse mediante fusión nuclear. En 1938 Hans Bethe e independientemente Carl Friedrich von Weizsäcker presentaron el primer mecanismo detallado para la producción de energía en las estrellas, el ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO). Los otros procesos importantes de generación de energía (la cadena protón-protón y la reacción triple alfa) no se propusieron hasta la década de 1950.

Entonces, podemos decir que las estrellas básicamente son enormes esferas de gas de hidrógeno, cientos de miles o millones de veces más masivas que la Tierra transformándose en elementos más pesados, liberando energía en un proceso que… Explicaremos en otro post.

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¡Hasta la próxima… publicación!