¿Por qué los elementos 3, 4 y 5 son tan raros en el universo?
Si clasificas cada elemento de la tabla periódica según su abundancia en el universo, los resultados serán sorprendentes. El elemento más común es el hidrógeno, que representa aproximadamente el 75% de la masa de todo el universo. El otro 25% aproximadamente es helio, que se produce principalmente en las primeras etapas del Big Bang caliente pero también en la fusión de núcleos de hidrógeno en la mayoría de las estrellas, incluido el Sol.
El oxígeno ocupa el tercer lugar en abundancia y el carbono el cuarto, seguido por el neón, el nitrógeno, el hierro, el magnesio y el silicio, todos ellos sintetizados en el interior de estrellas masivas. En términos generales, los elementos pesados son escasos y los elementos ligeros abundan. Pero hay tres excepciones: el elemento 3, litio, el elemento 4, berilio y el elemento 5, boro. Estos tres elementos son el tercero, cuarto y quinto elementos más ligeros de la tabla periódica, apenas más pesados que el hidrógeno y el helio. Entonces, ¿por qué estos elementos son tan raros en el universo?
Nucleosíntesis primitiva
En el universo primitivo, se sintetizaron el primer lote de núcleos atómicos a partir del universo primitivo compuestos por quarks, leptones, fotones, gluones y partículas de antimateria. En el universo primitivo, la energía de los fotones era demasiado alta para sintetizar incluso el núcleo atómico pesado más simple: el deuterio, que está compuesto por un protón y un neutrón. Tres minutos después del Big Bang, a medida que el universo se expandió y enfrió, las antipartículas fueron aniquiladas, los protones y neutrones comenzaron a fusionarse y la energía de los fotones no fue suficiente para destrozar los núcleos atómicos, y el universo comenzó el proceso de nucleosíntesis primordial.
Solo diez minutos duró la nucleosíntesis primordial, que sentó las bases materiales del universo. El universo está compuesto por aproximadamente un 75% de hidrógeno, un 25% de helio-4, aproximadamente un 0,01% de deuterio y helio-3, y aproximadamente un 0,0000001% de litio. Existían pequeñas cantidades de litio mucho antes de que se formaran las estrellas, lo cual es muy, muy bueno para nosotros porque el litio es un elemento importante necesario para muchas aplicaciones, tecnologías e incluso para el cuerpo humano en la Tierra.
Fusión nuclear de estrellas
Sin embargo, una vez que las estrellas comenzaron a formarse en el universo, todo cambió. Una vez que la temperatura supera los 4 millones de grados, el hidrógeno puede fusionarse en helio, un proceso que nuestro sol está experimentando actualmente. Las reacciones de fusión nuclear de las estrellas cambian el universo. Cambian las cosas en direcciones inesperadas.
Las estrellas se forman a partir de nubes de gas producidas por el Big Bang, y sus temperaturas centrales son muy altas, oscilando entre millones y cientos de millones de grados. A esta temperatura, los elementos de hidrógeno sufren reacciones de fusión nuclear. Pero en el caso del litio, estas temperaturas extremadamente altas son suficientes para provocar su explosión. El litio ha sido uno de los elementos más difíciles de medir en el universo, en gran parte porque cuando ahora podemos extraer de manera confiable su señal, gran parte del entorno en el comienzo del universo ha sido alterado.
El universo está lleno de muchos elementos pesados: carbono, nitrógeno, oxígeno, fósforo y elementos necesarios para la vida en la Tierra, hasta el uranio en la tabla periódica y el aún más pesado plutonio. Entonces, ¿por qué no hay forma de sintetizar litio?
Cuando una estrella quema los núcleos de hidrógeno de su núcleo, la fusión nuclear de hidrógeno se ralentizará y se detendrá, lo que dará como resultado una reducción de la presión de radiación y una incapacidad para resistir el colapso gravitacional, lo que provocará que la región del núcleo continúe encoger. Durante este período, la temperatura dentro de la estrella aumentará aún más.
El núcleo compuesto de helio puede alcanzar temperaturas muy extremas, lo que permite que el helio experimente reacciones de fusión nuclear mediante el proceso del 3-helio para sintetizar elementos más pesados. En estrellas como el Sol, finalmente se sintetiza el elemento 6, el carbono. La única forma de sintetizar elementos más pesados es producir neutrones, que muy lentamente pueden hacer que la tabla periódica se vuelva más pesada.
En el caso de las estrellas de masa baja y media, una vez que se complete por completo la fusión del helio, sus capas externas se desprenderán, formando nebulosas planetarias, y sus núcleos colapsarán formando enanas blancas.
Pero en el caso de las estrellas masivas, sus núcleos pueden colapsar y calentarse aún más, iniciando así la fusión nuclear de carbono. El carbono se condensa en oxígeno, el oxígeno se condensa en neón y el neón se condensa en magnesio. La síntesis continúa y elementos como silicio, azufre, argón, calcio, titanio y cromo se producirán uno tras otro, hasta el final. hierro, níquel y cobalto. La fusión del núcleo de hierro absorberá energía, lo que provocará que se rompa el equilibrio de las estrellas masivas y sufrirán violentas explosiones de supernovas.
Durante la explosión de la supernova se sintetizarán aún más elementos más pesados que el hierro. Además, las fusiones de enanas blancas y enanas blancas o las fusiones de estrellas de neutrones y estrellas de neutrones también crearán elementos pesados. Sin estos procesos, no habría elementos en la tabla periódica y la vida en la Tierra no habría evolucionado.
Especiales Litio, Berilio y Boro
Podemos explicar casi todos los elementos que se encuentran en el universo, pero el litio, el berilio y el boro son las excepciones. Ninguno de los mecanismos de síntesis elemental que conocemos produce berilio y boro, y la abundancia de litio que detectamos no puede explicarse únicamente mediante la nucleosíntesis primordial.
La fusión del hidrógeno produce helio, que es el elemento número 2. El helio requiere tres núcleos de helio para fusionarse en carbono, que es el elemento 6. Pero ¿cómo explicar la presencia de litio, berilio y boro?
Resulta que ningún proceso estelar puede producir cantidades suficientes de estos elementos sin destruirlos. Si se combina hidrógeno con helio, el resultado es litio-5, pero es extremadamente inestable y se desintegra rápidamente. Si se fusionan dos núcleos de helio-4, se puede sintetizar berilio-8, pero el berilio-8 también es muy inestable y se desintegrará inmediatamente. De hecho, todos los núcleos con un número másico de 5 u 8 son inestables.
Estos tres elementos no se pueden obtener de procesos relacionados con las estrellas. Sin embargo, el litio, el berilio y el boro no sólo existen en el universo, sino que también son cruciales para la evolución de la vida en la Tierra.
¿De dónde proceden el litio, el berilio y el boro?
Según las especulaciones actuales, estos tres elementos deben su existencia a las fuentes de partículas más energéticas del universo: púlsares, agujeros negros supermasivos, supernovas, kilonovas y galaxias activas. Se trata de superaceleradores de partículas naturales en el universo, que expulsan partículas cósmicas en todas direcciones por toda la galaxia. Estas partículas incluso tienen suficiente energía para abarcar el vasto espacio intergaláctico.
Las partículas de alta energía emitidas por el acelerador de partículas cósmicas se mueven en todas direcciones y pueden chocar con otras partículas. Si la partícula que choca es un núcleo atómico de carbono o más pesado, entonces la enorme energía generada por la colisión desencadenará otra reacción nuclear y el núcleo atómico pesado se dividirá, produciendo una serie de partículas de baja masa. Así como las reacciones de fisión nuclear pueden dividir átomos pesados en átomos ligeros, los rayos cósmicos pueden destrozar núcleos atómicos pesados.
Cuando partículas de alta energía chocan con núcleos atómicos pesados, los enormes núcleos se dividirán en varias partículas. Este proceso se llama espalación y es la principal fuente de formación de litio, berilio y boro. El litio, el berilio y el boro son los únicos elementos del universo que se formaron principalmente mediante procesos de espalación y no dependen de procesos relacionados con las estrellas como otros elementos pesados.
Debido a que la producción de litio, berilio y boro depende de colisiones accidentales de partículas de alta energía en el universo, su abundancia es muy baja, sólo una milmillonésima parte de la del carbono, el oxígeno y el helio. Aunque estos elementos son muy raros en el universo, son indispensables para la vida en la Tierra.