¿Estamos hechos de polvo de estrellas?

Todos los elementos que nos rodean, así como nuestros propios cuerpos, están compuestos por átomos que se esparcieron en nuestra galaxia tras la muerte de estrellas o incluso pocos minutos después del big bang. En esta entrevista, el astrónomo y Premio Nacional de Ciencias 1999, Dr. José Maza, nos entrega más antecedentes y se refiere a las posibilidades que nos abre el estudio del cosmos.

Ya sea por religión o por la necesidad de predecir los ciclos naturales, la observación astronómica es una de las ciencias naturales más antiguas desarrolladas por el ser humano. Sin embargo, la astrofísica y la astronomía como la conocemos hoy son ciencias relativamente jóvenes. Proyectos emblemáticos como el observatorio ALMA, la construcción del E-ELT, las incursiones a Marte y los descubrimientos recientes en el colisionador de hadrones en Europa, son una muestra de lo activas que se encuentran hoy las ciencias del espacio.

Pero nuestra relación con el cosmos comienza mucho antes, ya que todos los átomos de nuestro cuerpo se originaron en algún punto del Universo mucho antes del nacimiento de la Tierra. Así lo afirma el Dr. José Maza, académico, investigador y Premio Nacional de Ciencias Exactas 1999, quien es parte de una generación fundadora de astrónomos chilenos que incluye a María Teresa Ruiz, Guido Garay y Luis Campusano, graduados del programa de licenciatura en astronomía de la Universidad de Chile, que se encuentra vigente hace más de 50 años.

En numerosas ocasiones ha hecho referencia al rol que juegan las estrellas –en especial las supernovas–, en el proceso que origina la gran mayoría de los elementos químicos conocidos y con ello las estructuras que posibilitaron nuestra vida. ¿Cómo se dio este proceso?

El Universo nació hace 13.800 millones de años en el big bang. Durante 30 minutos, el Universo logró generar elementos químicos a partir de energía. En ese lapso sólo se alcanza a generar hidrógeno y helio. Es por esto que las primeras estrellas que se formaron en el Universo lo hicieron a partir de la contracción de una nube que contenía sólo estos dos elementos.

En el centro de las estrellas hay un calor, una presión y una densidad muy altas y se generan reacciones nucleares que, primero, transforman el hidrógeno en helio. Cuando la estrella quema todo el hidrógeno, se contrae el núcleo, la estrella calienta más el helio y, cuando alcanza varios cientos de millones de grados, origina átomos de carbono. En el caso del Sol y muchas estrellas chicas, el núcleo se va a hacer más denso, se va a transformar en una enana blanca y va a botar las cáscaras al espacio en una nebulosa que se expande y que va a tener algunos átomos de carbono y un poco de oxígeno, pero no van a alcanzar a hacer nada más.

Las estrellas diez veces más grandes que el Sol, en cambio, generan helio a partir del hidrógeno, carbono a partir del helio, oxígeno a partir del carbono, así como neón, magnesio, silicio y hierro. Llegado cierto punto de la generación de hierro, este proceso no puede continuar. La estrella no lo sabe, comprime el núcleo de hierro y, cuando se aprieta mucho, se rompe en fragmentos, bota un

montón de neutrones y la estrella chupa toda la energía del núcleo, generando otros elementos químicos y colapsando en lo que se conoce como una supernova.

La supernova explota a un veinteavo de la velocidad de la luz, contamina zonas enormes y esos átomos se mezclan con las nubes que van quedando. Ese proceso de contaminación o enriquecimiento químico funcionó durante 9 mil millones de años en nuestra galaxia. Estas nuevas generaciones de estrellas tienen un poquitito de elementos químicos más pesados. En nuestra galaxia, que tiene 200 mil millones de estrellas, el 98% de la masa sería hidrógeno y helio, siendo el hidrógeno tres veces más abundante. El otro 2% es el aporte de muchas generaciones anteriores de estrellas. 9 mil millones de años después, una nube ya contaminada va a dar origen al Sol, los planetas y la Tierra, con todos los químicos que ésta contiene.

Todos los elementos químicos que tenemos en nuestro cuerpo se formaron en el interior de una estrella que era de la vía láctea. Los átomos de calcio de nuestros huesos se formaron hace 6 u 8 mil millones de años, explotaron en una supernova, viajaron violentamente y fueron quedándose en la nebulosa solar primitiva. Siempre digo a los niños, “tú, de la cabeza a los pies, eres un extraterrestre”. Todos nuestros hidrógenos –que son los átomos más numerosos que tenemos– tienen 13.800 millones de años porque el hidrógeno no se crea en ninguna parte que no sea el big bang. Los átomos de calcio, de hierro, de los glóbulos rojos, el fósforo y otros elementos que incluyen el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, vienen de alguna estrella, ya sea de una nebulosa planetaria o de una supernova. Entonces, somos producto de material estelar.

La astrofísica es una ciencia relativamente nueva y que hoy es esencial en los estudios de astronomía y ciencias afines. ¿En qué ha cambiado la visión clásica de la astronomía?

Con la astrofísica, uno puede investigar leyes de la física, que son muy difíciles de refrendar en el laboratorio, donde en condiciones normales uno puede hacer un experimento a baja escala. Galileo estudiaba cómo caían las piedras. Dejaba caer piedras desde distintas alturas, cronometraba el tiempo que se demoraban y encontró las leyes de las caídas de los cuerpos. Pero para otros experimentos, como observar el comportamiento de un líquido a una temperatura de 15 millones de grados, no tenemos aparatos para hacerlos fácilmente en el laboratorio. Entonces, la astrofísica hoy es una aplicación de la física a los astros, pero al mismo tiempo es el cosmos el que nos permite indagar en física. La misma Relatividad de Einstein, que es una de las grandes teorías del siglo XX, es muy difícil de comprobar en la Tierra. Aquí las velocidades de los cuerpos son siempre muy pequeñas. Cuando uno está cerca de la velocidad de la luz, se producen fenómenos que son bastante extraños y que están descritos por la Relatividad General, y todas las verificaciones, por decirlo así, se han hecho a través de observaciones astronómicas. Entonces, el cosmos es el gran laboratorio, el laboratorio final, donde uno puede investigar las leyes de la física.

Hay una pregunta que desde hace tiempo es un misterio para la astronomía. Hasta el momento podemos describir tres tipos de fuerzas, que son la nuclear fuerte, la débil y la electromagnética, pero es poco lo que sabemos de la fuerza gravitacional, que es fundamental para entender el Universo. ¿Qué sabemos hoy de esto?

Bueno, la gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales, pero es la que al final del día maneja el Universo en gran escala. Las fuerzas nucleares son lejos las más intensas, pero son

de muy corto alcance y son las que mandan a nivel del átomo, pero cuando uno se aleja mucho, las fuerzas nucleares no son significativas. Las fuerzas electromagnéticas son muy potentes, pero a nivel global no hay interacciones electromagnéticas entre estrellas. Las únicas interacciones que existen son las gravitacionales.

A principios de 2016 se dio a conocer que por fin, después de 100 años, se habían encontrado ondas gravitacionales. De la misma manera que una carga eléctrica que se acelera en un campo magnético emite ondas electromagnéticas, una masa que se acelera en torno de otra masa, emite ondas gravitacionales. Einstein predijo que dos masas que se acercaran mucho iban a emitir ondas gravitacionales, y hasta hace poco nadie las había detectado. Estas ondas son súper débiles y el experimento con el cual las detectaron es espectacular.

El hecho de que hoy se hayan podido comprobar algunos modelos que simplemente se habían teorizado en el pasado, ¿entrega cierto optimismo respecto de otras teorías, por ejemplo, de otras aplicaciones de la relatividad, que puedan comprobarse a futuro?

Bueno, sin duda que sí, en la medida en que los experimentos dicen que uno anda por un camino que no está equivocado, uno se siente conforme, pero hay una cuestión: en ciencias uno toma datos y esos datos uno los modela de la mejor manera posible. Newton con su Gravitación Universal y con las leyes de Newton, hizo un modelo que fue súper exitoso, súper efectivo, que duró más de 200 años. De repente, cuando empezaron a tener datos de situaciones extremas, que ya no eran los datos que había manejado Newton, empezaron a aparecer ciertas contradicciones que no se entendían, y ahí aparece Einstein y reformula todo lo que existía hasta entonces.

Hace poco se descubrió una cosa que se llama el “Bosón de Higgs”. En la teoría de partículas atómicas no dice claramente de dónde sale la masa de las partículas, y Higgs, que es un Físico británico, hace como 35 a 40 años postuló que había un campo escalar. Por ejemplo, en torno de un imán hay un campo magnético, mientras que en torno de una carga eléctrica hay un campo eléctrico. En este caso se trataría del “Campo de Higgs”, que al interactuar con él, las partículas obtenían masa. Pero la existencia de un campo escalar implicaba también la existencia de una partícula, que la llamaron el “Bosón de Higgs”.

Hace un par de años atrás descubrieron el Bosón de Higgs en el acelerador de hadrones de Ginebra y le dieron el Premio Nóbel a Higgs y a otro científico más, que habían hecho la predicción hace como cuarenta años. Entonces, la teoría de Higgs es una explicación de por qué las partículas tienen masa, y cómo la masa genera un campo gravitatorio a su alrededor. Cuando uno aglomera un montón de partículas que tienen masa, uno tiene un campo gravitatorio.

Desarrollos modernos como la relatividad y algunas propiedades de la mecánica cuántica –que explica la interacción de partículas a nivel atómico– son verdaderos retos para la física clásica de Newton. Aunque el movimiento de los electrones en un átomo se parece mucho a la órbita que describen los planetas alrededor de una estrella, a nivel atómico se han observado propiedades tan impensables como partículas que pueden estar en dos lugares al mismo tiempo (superposición cuántica) y partículas distantes conectadas entre sí (enlace cuántico). ¿En qué medida estamos frente a un cambio de paradigma en la forma en la que observamos el cosmos o frente al reemplazo de teorías tradicionales por algunas que puedan ser más explicativas?

Un avión te permite llegar más lejos que una bicicleta, pero es inútil si quieres avanzar cuatro cuadras. Cuando uno tiene una situación cotidiana, uno la analiza con la teoría más simple. De todos modos, yo creo que en 5.000 años más o en 10.000 años más, cuando el hombre vea lo que nosotros pensamos hoy día, que son las leyes de la Física, se va a reír de lo ingenuas que eran nuestras teorías.

Los fenómenos eléctricos los desarrolló un grupo de gente, fenómenos magnéticos los desarrolló otro grupo de gente. De repente vino Maxwell y unió la electricidad y el magnetismo en cuatro ecuaciones, que son las Ecuaciones de Maxwell. Fantástico. La gravitación la tomó primero Newton, después la generalizó Einstein, pero el electromagnetismo, la gravedad y la mecánica cuántica son teorías que tienen un enfoque distinto. Uno tiene que manejar la física atómica con mecánica cuántica y la cosmología con relatividad general. Bueno, son teorías que uno las hizo pensando en una parte angosta de la física. Puede que haya una teoría general en la que, como en el caso de las ecuaciones de Maxwell, se deriven las ecuaciones de Einstein y la mecánica cuántica. La Teoría Unificada de Einstein hasta el día de hoy sigue siendo un sueño. Dicen que Einstein murió tratando de unificar todo.

En Chile, el estudio de la astronomía cobra una importancia especialmente significativa. La instalación de algunos de los observatorios más potentes del mundo, gracias a la posesión de los cielos más despejados y menos húmedos del planeta, abre una posibilidad extraordinaria a los estudiantes chilenos para estudiar astronomía. Actualmente se dice que dentro de 10 años tendremos el 70% de la capacidad de observación astronómica del mundo. ¿Qué le diría a los jóvenes interesados en las ciencias para que tomen esta oportunidad que se está abriendo?

Las oportunidades de hacer astronomía en Chile son extraordinarias. Chile es el mejor país del mundo para hacer astronomía, en donde están los mejores telescopios del mundo, algunos de los cuales tienen un costo que es imposible de financiar para Chile. Pero como el país da la facilidad para que operen observatorios extranjeros, les pide a cambio apenas un 10% del tiempo de observación, lo que es más que suficiente como para imantar a un grupo de astrónomos bastante grande.

Por: Pablo Casanova

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