Aquí viene el Sol

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Imagen del 20 de junio de 2013 obtenida por SOHO.
Muestra una ráfaga solar del lado izquierdo del Sol y una
erupción de material solar. Crédito NASA/SDO. Tomada de
http://www.nasa.gov/sites/default/files/images/
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Hace unos días la maestra Luz Chapela me obsequió (sin dedicatoria, debo quejarme) el último libro que ha publicado; se llama ¡Abracadabra!. En el momento cumbre aparece un rayo de Sol, entre las copas de los árboles, y el protagonista se da cuenta que allá arriba está el cielo, infinito y radiante…pero mejor no sigo, es mejor que lo lean. Lo cierto es que el protagonista salva la vida. Y es eso, el Sol tiene en muchas culturas el significado de vida. Su luz ha iluminado la Tierra desde su formación, hace unos 4 mil 500 millones de años, y desde hace mucho nos hemos preguntado de dónde viene esta fuente, que parece inagotable, de energía que lo mantiene brillando.

Actualmente sabemos que el Sol es una esfera de plasma (ver artículo de Víctor de la Luz sobre el Mínimo de Maunder en este suplemento), que cada segundo emite miles de millones de veces la misma cantidad de energía que producen nuestras mayores plantas de energía en un año. Apoyados en evidencias geológicas, sabemos que ha estado generando esta energía durante miles de millones de años ¿Qué mecanismo es el que lo logra?

El Sol está quemando hidrógeno, es la expresión que generalmente se utiliza, aun entre los astrónomos, para decir que la fuente de energía del Sol, y de las estrellas, son las reacciones termonucleares de fusión que transforman Hidrógenos en Helio. Sin embargo, esta expresión no es lo que llevó al mito, un poco generalizado, de que el Sol se está quemando. La idea la combustión en el Sol, fue de las primeras que surgieron para explicar la generación de energía de las estrellas

Saber el mecanismo correcto para la generación de energía en las estrellas no fue sencillo; fue necesario, como siempre en la ciencia, descartar diferentes ideas  mediante la comparación con las observaciones. Midiendo la luminosidad de una estrella, esto es, la cantidad de energía que está liberando por segundo, se puede comparar los tiempo de duración de los mecanismos propuestos.

El Sol se quema

Podemos suponer que en el Sol se está quemando carbón, cuando éste se quema produce energía química. La reacciones químicas desprenden calor y pueden desarrollar algún trabajo o movimiento. Sin embargo, también se necesita oxígeno para que produzca energía.

Entonces, para que el Sol generara energía y calor por reacciones químicas, como el fuego, debería existir una reserva gigantesca de carbón y oxígeno. Pode-mos calcular la masa de nuestra estrella y calcular el tiempo en que se gastaría sus reservas. Resulta, además de la complejidad para explicar el destino de los residuos de la combustión, como el anhídrido carbónico, que la escala temporal de un Sol de fuego no es comparable, ni siquiera, con la historia de la humanidad, los procesos químicos producirían energía sólo para algunos miles de años.

El Sol se contrae

Aprovechando la llamada “Teoría Nebular de Kant y Laplace”, que establece que el Sistema Solar se había formado a partir de la contracción de una nube en rotación, junto con el principio de conservación de energía (la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma), Helmholtz expuso otra hipótesis para explicar la generación de luz y calor del Sol.

La energía del movimiento de contracción de la nube se transformaba en la energía que el Sol expulsa al espacio. Se propone entonces que la fuente de energía del Sol estaba en sí misma, en la contracción gravitacional que sufría por el peso de sus componentes. La energía potencial de las capas que están cayendo se convierte en energía cinética que puede producir calentamiento. El gas se comprime y se calienta, radiando, además, luz.

Al comparar con la cantidad de energía que libera el Sol actualmente, se encuentra que su tamaño debió ser el de la órbita de la Tierra hace unos 18 millones de años y, por tanto, la Tierra debería ser más joven, pero los geólogos y biólogos habían encontrado que la edad de la Tierra y por los procesos ocurridos en ella, era mucho mayor.

Aun así, esta idea permaneció hasta inicios del siglo pasado. La energía gravitacional podría darle po-tencia al Sol durante unos 30 millones de años, un tiempo atractivamente largo, aunque no para geólogos y biólogos que requieren mayor tiempo para la evolución y la edad estimada de la Tierra mediante fechados radiactivos. Esto motivó la búsqueda de otros me-canismos, como las fuentes nucleares.

El Sol es un reactor nuclear

A partir del modelo de la estructura interna del Sol, sabemos que la temperatura en el núcleo del Sol es de alrededor de 10 millones de grados. Este valor es suficiente para que tengan lugar reacciones de fusión termonuclear donde elementos ligeros se transforman en elementos más pesados, liberando energía.

Alrededor de 1930 fue aceptado el hecho de que la energía de las estrellas provenía de reacciones de fu-sión. En 1938 Hans Bethe y Carl Friedrich von Weizsacker por primera vez describieron el ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO) para la producción de energía en las estrellas. El ciclo protón-protón fue propuesto hasta los años 50.

Cadenas y Ciclos

La producción de energía se lleva a cabo a través de la llamada cadena protón-protón. En este proceso, cuatro núcleos de Hidrógeno (H) se fusionan en un núcleo de Helio (He), generando una gran cantidad de energía debida a la transformación de la diferencia de masa (la suma de las masas de los cuatro núcleos de H es menor que la masa del núcleo de He) en energía (E=mc2).

El proceso es un poco más complicado. En lugar de generar He en una sola reacción, la naturaleza va por pasos, sigue una cadena (de allí el nombre) para ir construyendo el núcleo de He. En el primer paso, en dos reacciones separadas, dos protones (núcleos de H), en cada reacción se fusionan para generar un positrón, un neutrino y un nú-cleo de Deuterio (que consiste de un protón y un neutrón); en el segundo paso, en dos reacciones separadas, un núcleo de Deu-terio y un protón se fusionan para dar lugar a un núcleo de He-3 (que consiste de dos protones y un neutrón) y un rayo gamma; en el tercer paso los dos núcleos de He-3 se fusionan para generar el núcleo de He-4 (dos protones y dos neutrones) y dos protones.

Esta cadena sucede en la mayoría de las estrellas, sin embargo, para las más masivas que el Sol, hay una reacción que usa núcleos de Carbón (C), Nitrógeno (N) y Oxígeno (O), el llamado Ciclo CNO, para transformar H en He y generar energía, aunque involucra varios pasos más.

La naturaleza usa este camino, que parece más complicado, en lugar de hacer colisionar los cuatro pro-tones simultáneamente, ya que es más probable. Es ca-si como lograr una reunión de comité editorial, donde asistan todos sus miembros. La probabilidad de colisión de dos partículas es mayor que una de cuatro, así que la naturaleza sigue, en realidad, el camino más fácil.

A este tipo de reacción nuclear en el que los núcleos se unen y desprenden energía se le llamó fusión, pero la temperatura necesaria para producir la fusión en el Sol no se alcanza en la superficie, que sólo es de casi 6 mil grados, sino en su interior donde se combinan con la fuerza gravitacional que comprime los gases hacia el núcleo, de tal manera que la expansión que debía ocurrir por la gran temperatura es compensada por la fuerza gravitacional.

El Sol come meteoritos y cometas, otra idea

Recientemente, mediante observaciones con el satélite SOHO, diseñado para observar el Sol, se han descubierto varios miles de cometas cayendo hacia él.  Cierro esta contribución con este dato ya que una de las primeras ideas, para explicar la energía del Sol, fue precisamente la caída de objetos menores hacía él, transformando su energía cinética en luz y calor. La estimación de la cantidad de material requerido para mantener la luminosidad del Sol, implicaba, entre otras cosas, que de los millones y millones de esos cuerpos requeridos, algunos estarían bombardeando continuamente a la Tierra. Quizá no es la mejor idea, pero fue la primera que prescindió del fuego y que utilizó el principio de conservación de la energía. ¿Algu-nas malas ideas no son tan malas, cierto?

Más información

Así funcionaba el Sol. Horacio Luis Tignanelli. Ed. Colihue

¡Abracadabra! Luz Chapela. Editorial 3 Abejas y Conaculta

http://www.saberesyciencias.com.mx/sitio/component/content/article/10-portada/80-el-minimo-de-maunder-iuna-segunda-oportunidad-para-la-raza-humana

http://www.astronomynotes.com

* rmujica@inaoep.mx