¿Cómo se formó el universo? La formación de los elementos químicos

La formación del universo ha sido un misterio para la humanidad desde sus inicios. Lo que empezó como preguntas filosóficas (¿de dónde venimos?, ¿por qué existimos?) dio pie a hipótesis científicas y a la formulación de teorías. Gracias a ello, y a pesar de todas las preguntas que quedan aún por resolver, hoy tenemos mucho más claro cómo se formó el universo y qué ha pasado desde entonces. Como verás en el artículo, encontrar una respuesta no es nada fácil. Lo que está claro es que la química vuelve a estar presente.

Formación del universo

Aunque no lo notemos a simple vista, el universo se expande de manera constante. No obstante, a diferencia de hace 13.800 millones de años -momento en el que los científicos sitúan la gran explosión (Big Bang) que dio origen al universo-, este proceso es más pausado. Y es que el universo no ha tenido siempre el mismo tamaño: hoy es miles de millones de veces más grande que el universo primigenio.

Pero, ¿cómo pueden saber los científicos cómo se formó el universo?

DIFICULTADES AL ESTUDIAR CÓMO SE FORMÓ EL UNIVERSO

Ciertamente, investigar sobre la formación del universo no es fácil. En resumidas cuentas, hay tres características que hacen del cosmos una naturaleza especialmente compleja a la hora de investigar:

• Siguiendo la teoría del Big Bang, la edad del universo es de unos 13.800 millones de años.
• Aunque el universo podría llegar a ser infinito, nuestra perspectiva terrestre nos ofrece una visión observacional limitada. De hecho, todo lo que podemos observar se trata de la materia y energía que nos ha afectado dese el inicio del universo.
• Se estima que la composición del universo es: alrededor del 73 % de energía oscura, 23 % de materia oscura fría y un 4 % de materia ordinaria. Solo esta última es fácilmente observable. En el caso de la materia oscura, es más difícil porque no emite ningún tipo de radiación electromagnética. Y todavía se dificulta más cuando hablamos de energía oscura, ya que su naturaleza exacta todavía genera muchas dudas.

EVIDENCIAS CIENTÍFICAS DE LA FORMACIÓN DEL UNIVERSO MEDIANTE EL BIG BANG

Por razones obvias, es imposible estudiar la formación del universo a escala y tiempo real. Por ese motivo, para encontrar respuesta a las preguntas relacionadas con la formación del universo, ha sido habitual recurrir al estudio de las estrellas, así como a modelos matemáticos que permitieran entender mejor los fenómenos que tuvieron lugar. Además, las simulaciones con aceleradores de partículas permiten replicar a escala atómica lo que ocurrió durante el Big Bang.

De este modo, los científicos buscan respuestas ya que comprender lo que ocurrió hace aproximadamente 14 mil millones de años no es en absoluto una tarea sencilla. Aun así la comunidad científica tiene motivos suficientes para respaldar la teoría del Big Bang:

• Expansión del universo: lo primero que nos puso sobre la pista de la formación del universo fueron las observaciones del astrónomo Edwin Hubble en 1929, que se dio cuenta de que las galaxias se alejaban unas de otras. El hecho de que el universo se expandiera llevó a los científicos a pensar que la formación del universo podía haber empezado con un punto muy pequeño, que se expandió hasta el tamaño actual.
• El fondo cósmico de microondas: con este nombre conocemos a la radiación electromagnética que se creó durante el origen del universo y que aún es observable a día de hoy. Descubierta en 1965 por Arno Penzias y Robert Wilson, esta es la prueba más importante del modelo cosmológico actual.
• Proporción de elementos ligeros: el 98 % de la materia ordinaria del universo está formada por hidrógeno y helio, los dos elementos químicos más ligeros. Esta proporción cuadra con las predichas en las simulaciones de la formación del universo. Si no se hubiera creado a partir del Big Bang, la proporción de elementos químicos sería diferente.

Etapas de la formación del universo

Por supuesto, todavía hay muchas preguntas abiertas sobre la formación del universo. Sin embargo, en lo relativo a la teoría del Big Bang se han llegado a grandes consensos y la comunidad científica está de acuerdo en que esta explica de forma precisa cómo se formó el universo. En aras de la sencillez, resumiremos este proceso, que realmente es mucho más complejo, en siete etapas distintas:

1.      INFLACIÓN

Como hemos dicho al inicio, los científicos abogan por que el universo se formó hace alrededor de 14 billones de años con un Big Bang. En ese momento nuestro universo era un punto denso y caliente, con un tamaño incluso inferior al de una partícula subatómica. Gracias a un campo de energía repulsiva, en cuestión de fracciones de segundo, dicho punto empezó a expandirse y a llenarse de partículas subatómicas denominadas quarks.

2.      PRIMEROS COMPONENTES

Estos quarks comenzaron a fusionarse para formar protones y neutrones, las partículas subatómicas que conforman los núcleos atómicos. Se cree que en esta fase surgió la materia oscura. Todo esto ocurre en apenas unas fracciones de segundo.

3.      PRIMEROS NÚCLEOS Y ÁTOMOS

Durante los 380.000 años siguientes, el universo experimentó un enfriamiento gradual, pasando de una temperatura de 10^{^}32 a 10^{^}9 kelvin, lo cual propició el inicio de las primeras reacciones nucleares, dando origen a los primeros elementos químicos.

Todo esto no ocurrió simultáneamente, sino que durante los tres primeros minutos del universo aparecieron los núcleos atómicos más ligeros, es decir, los núcleos de hidrógeno y de helio. Este proceso se conoce como la nucleosíntesis primordial.

A continuación, el universo continuó expandiéndose y enfriándose durante miles de años. De este modo, la temperatura disminuyó lo suficiente para permitir que los núcleos se combinaran con los electrones, formando los primeros átomos de hidrógeno. Sin embargo, el universo se expande y enfría tanto que el proceso de formación de elementos químicos cesa durante millones de años, sumiendo al cosmos en la oscuridad.

4.      ÉPOCA OSCURA

El período entre los 380.000 años y los 300 millones de años se conoce como la “época oscura” porque, como su nombre indica, hasta que se constituyeron las primeras estrellas, la única fuente de luz existente fue la radiación cósmica. Sin embargo, no creas que durante esta época oscura no pasó nada importante. Al contrario, empezaron a actuar las fuerzas de la física tal y como las conocemos y, gracias a la gravedad, se empezaron a formar las acumulaciones de materia, que en un futuro se convertirían en galaxias.

5.      PRIMERAS ESTRELLAS

Las nubes más densas de hidrógeno y helio colapsaron sobre sí mismas debido a la gravedad y terminaron formando estrellas. A medida que aumentaba su concentración de materia, lo hacía la presión y con ella también la temperatura. Esto provocó el inicio de las reacciones de fusión nuclear, gracias a las cuales continuó la formación de elementos químicos más pesados.

6.      ACELERACIÓN DE LA EXPANSIÓN

Tras millones de años en los que la expansión del universo se había desacelerado, la tendencia se invirtió y la expansión volvió a acelerarse. Este proceso duró hasta los 10.000 millones de años desde la formación del universo. Actualmente, la aceleración de la expansión se explica por la influencia de la energía oscura. No obstante, todavía hay muchas cuestiones abiertas sobre este concepto y su comportamiento

7.      ACTUALIDAD

En el presente el universo continúa su expansión, motivo por el que cada vez es menos denso.

¿Cómo se formaron los elementos químicos?

Ahora que te hemos dado una visión general sobre la formación del universo, profundicemos en la formación de los elementos químicos que, como hemos explicado, nacen en las estrellas a través de complejos procesos de fusión.

FORMACIÓN DE LOS PRIMEROS ELEMENTOS QUÍMICOS

Como hemos explicado, los dos primeros elementos en formase fueron el hidrógeno y el helio. Concretamente, el hidrógeno, que es más ligero, fue el precursor del helio y de ahí, el resto de los elementos químicos.

¿Cómo fue el proceso?

Las estrellas más jóvenes contienen en su núcleo átomos de hidrógeno. Sin embargo, las altas presiones en el interior de las estrellas pueden inducir la unión de dos núcleos de hidrógeno, dando lugar al núcleo de helio. La energía que se libera durante este proceso de fusión nuclear es la que mantiene “encendidas” las estrellas.

Llega un momento que el hidrógeno en el núcleo de la estrella se agota y la estrella empieza a utilizar helio como combustible. Al igual que con el hidrógeno, dos núcleos de helio se fusionan y forman berilio

Este proceso se repite, con la fusión del berilio y helio generando un núcleo de carbono, la fusión del carbono y helio produciendo un núcleo de oxígeno, y así sucesivamente, dando origen a los elementos químicos más livianos que el hierro.

FORMACIÓN DE ELEMENTOS QUÍMICOS MÁS PESADOS

Los elementos químicos vistos hasta ahora nacen de las reacciones de fusión en el núcleo de las estrellas y generan energía. Sin embargo, cuando se forman elementos más pesados, las reacciones de fusión consumen energía en lugar de producirla. Por este motivo se requieren estrellas de masas excepcionalmente grandes, conocidas como supernovas, para que se formen elementos químicos más pesados que el hierro.

Llega un momento en el que el núcleo de estas supernovas está compuesto prácticamente por hierro. Entonces, la fuerza de su gravedad provoca una explosión que genera condiciones extremas de presión y temperatura. Estas condiciones propician la formación de elementos más pesados que el hierro, como el cobre, el zinc y el criptón.

Además, las supernovas generan rayos cósmicos al acelerar notablemente algunas partículas (hasta casi alcanzar la velocidad de la luz). Estos rayos cósmicos contribuyen a formar otros elementos químicos por fisión nuclear. Por ejemplo, el litio o el boro.

FORMACIÓN DEL RESTO DE ELEMENTOS QUÍMICOS

No todas las estrellas llegan a convertirse en supernovas. Las estrellas pueden colapsar y convertirse en lo que conocemos como una estrella de neutrones, llamada así porque principalmente está compuesta por este tipo de partículas subatómicas. Si colisiona con otra estrella de neutrones, desencadena una explosión de rayos gamma. Esta explosión provoca la expulsión de parte de su material a altas velocidades, resultando en la formación de elementos pesados y raros como el oro, el platino y el plomo.

Por tanto, si nos paramos a pensar, el oxígeno que nos llena los pulmones, el calcio de nuestros dientes y el hierro de nuestra sangre fueron creados hace millones de años dentro de una estrella. Así que, como dijo el divulgador y astrónomo Carl Sagan, “somos polvo de estrellas reflexionando sobre estrellas”.