Cómo estudiar el Universo en un grano de polvo
El investigador español José Cernicharo y su equipo investigan cómo se forman y evolucionan las partículas de polvo cósmico a partir de las cuales nacen las estrellas y planetas. El documental “Nanocosmos: un viaje a lo pequeño” refleja con detalle esta increíble aventura.
José Cernicharo, investigador del Instituto de Física Fundamental / CSIC / Natalia Ruiz Zelmanovitch
En un laboratorio del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (ICMM) hay una máquina que intenta reproducir las condiciones alrededor de las estrellas moribundas y cómo se forman los granos de polvo a partir de los cuales nacerán nuevas estrellas y planetas. La máquina “Stardust”pertenece al proyecto Nanocosmos, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, y es uno de los experimentos de laboratorio con los que varios equipos de investigadores intentan desentrañar una de las cuestiones más interesantes en astrofísica: qué papel juegan las diminutas partículas que flotan en el medio interestelar tras la explosión de una gigante roja y cómo sirven de “semillas” para la formación de moléculas que acabarían formando nuevas estructuras. El investigador español José Cernicharo es uno de las tres cabezas visibles del proyecto y uno de los protagonistas del documental “Nanocosmos: un viaje a lo pequeño” que se acaba de estrenar y en el que se detallan estos experimentos para conocer de qué estamos hechos. Charlamos con él pocos días después del estreno.
Usamos con tanta frecuencia la expresión “somos polvo de estrellas”, que quizá hemos perdido la perspectiva de lo que significa, ¿no?
Lo que sucede es que es realmente difícil trasmitir. Nosotros tenemos una fecha de caducidad que está en torno a los 80-90 años y por otro lado estamos hablando de procesos que duran millones de años, por eso a veces es muy difícil explicar los procesos que ocurren en las estrellas. Pero en el fondo son los que determinan la formación de los planetas, y la vida es un producto de todo eso.
¿Sin ese polvo cósmico los átomos no se asociarían y andarían sueltos en el espacio?
Esos diminutos granos de polvo juegan un papel esencial en muchísimos contextos, uno de ellos es que son los protectores de las moléculas; sin ese polvo no se formarían y la evolución física de las nubes interestelares que forman estrellas sería distinta. Por otro lado, sin esos diminutos granos de polvo en los discos planetarios tampoco habría partículas suficientemente grandes para formar los núcleos de condensación para formar los planetas, es decir, que juegan un papel esencial en bastantes contextos de la físico-química del espacio.
Sin esos diminutos granos de polvo no se formaría hidrógeno gaseoso y los átomos vagarían sueltos
Porque el universo está tan vacío que las probabilidades de que dos átomos se junten son muy remotas…
Hay que pensar que lo que ocurre en el espacio no tiene nada que ver con lo que ocurre en la Tierra. En la Tierra respiramos oxígeno molecular y por lo tanto los átomos se han combinado en moléculas. En el espacio conseguir que los átomos se combinen en moléculas es mucho más complicado, porque las densidades son billones de veces más pequeñas, y en esa situación que un átomo choque con otro átomo requiere condiciones especiales. En particular los granos de polvo juegan un rol esencial, porque la molécula más abundante del universo, que es el hidrógeno molecular, no se puede formar en fase gaseosa, se tiene que formar en la superficie de los granos. Es como una pescadilla que se muerde la cola, porque las moléculas esenciales se forman en la superficie de los granos y los granos se forman a partir de moléculas. Es un ciclo que se repite una y otra vez: se forma una estrella, esa estrella forma un cortejo planetario a su alrededor, dependiendo de su masa se convierte en una gigante roja, que eyecta una parte de su masa en forma de gas y partículas de polvo al medio interestelar que pasa a formar parte de una nube y al cabo de millones de años se vuelve a formar otra estrella. Es un proceso cíclico que se repite desde que se formaron las primeras estrellas.
Y con toda seguridad todos los átomos que ahora forman la Tierra formarán algún día parte de una de esas nubes de polvo…
El Sol se convertirá en una gigante roja dentro de muchos millones de años y su tamaño será similar a la órbita de la Tierra o incluso hasta Marte. Cada átomo de este planeta y del Sistema Solar pasará a formar parte de una nube que evolucionará y, al cabo de millones de años, formará otra estrella con otros planetas.
Cada átomo del Sistema Solar pasará a formar parte de una de esas nubes y volverá a formar otras estrellas
Suele decir usted que hay más moléculas en una sola respiración nuestra que en la mayoría de regiones del espacio.
Cada vez que respiramos inhalamos unos 150 trillones de moléculas y en el espacio, en el mejor de los casos, hay 1.000-10.000 partículas por centímetro cúbico, o sea que la diferencia es de muchos ceros.
O sea que podemos decir que hay más moléculas en un estornudo que en algunas nubes interestelares.
Bueno, ten en cuenta que un objeto en el espacio, aunque tiene una densidad muy pequeña tiene un volumen enorme, una nube interestelar puede tener varios años luz de tamaño. Así que si coges el volumen y lo multiplicas por la densidad salen muchas moléculas. Una nube intermedia puede tener centenares de masas solares, y evidentemente en un estornudo no echamos una masa solar por mucho que nos empeñemos [risas]. O sea, hay mucha menos densidad, pero los objetos del espacio son mucho más grandes.
Hay más átomos en una respiración humana que en muchas regiones del espacio
Y la principal fuente de este polvo cósmico son las gigantes rojas y las supernovas
Sí, las primeras forman una gran cantidad de polvo, y las supernovas pueden producir mucho más polvo pero no estamos seguro de si hay un proceso de destrucción de esos mismos granos de polvo.
Paradójicamente, ese polvo que formará las futuras estrellas lo vemos en forma de manchas oscuras en el firmamento, ¿no?
Sí, está en las zonas más oscuras, porque los granos de polvo absorben o desvían la luz. Los astrónomos del siglo XIX se quedaron muy sorprendidos de esas manchas más oscuras, donde literalmente no veían estrellas, así que pensaron que habría agujeros en la galaxia. Hoy sabemos que esto es imposible desde un punto de vista matemático, porque la distribución de estrellas es la que es y no puede aparecer de golpe una zona sin ninguna estrella. Así que se pensó que lo que había era material que absorbe la luz de las estrellas y no está muy lejos, pero tapa la luz de todas las estrellas que están detrás. Porque las partículas que pueblan las nubes interestelares tienen un tamaño muy pequeño, de media micra o media milésima de milímetro, pero son muy eficientes al absorber la luz.
Las regiones negras que vemos en el cielo son, paradójicamente, las que darán lugar a nuevas estrellas
Oiga, ¿y todo esto cómo se mide en un laboratorio?
Se trata de producir las reacciones químicas en un ambiente controlado, estudiar paso a paso todos los procesos que dan lugar a la formación de pequeñas nanopartículas, que empezamos a estudiar con un solo elemento, con el carbono. Después se complica, lo mezclamos con hierro o con titanio, podemos añadir gases para ver cómo ese gas se puede pegar al grano de polvo. Se trata de hacer una serie de experimentos para, empezando de una nube de átomos, ver qué moléculas se forman y qué características tienen. No se trata de reproducir granos de polvo interestelar – eso sería prácticamente imposible – pero el objetivo del proyecto Nanocosmos es comprender cuáles son los primeros pasos en los procesos de nucleación del polvo, es decir, a partir de las moléculas simples cómo vamos haciendo que la complejidad y el tamaño de las moléculas aumente hasta formar un núcleo de condensación que hacen crecer esa micropartícula hasta alcanzar el tamaño de un grano de polvo cósmico.
Llevábamos muchos años mirando lo más grande en el Universo y resulta que lo más pequeño era igual de importante o más.
El universo tiene una componente muy atractiva, porque ofrece imágenes muy espectaculares, hay objetos que son auténticas maravillas. Pero cuando uno va más allá de la imagen y quiere comprender qué está sucediendo en esos objetos, uno tiene que atacar el problema desde todos los puntos de vista, toda una serie de campos en los cuales al final que lo que importa es lo que ocurra al tamaño del átomo y de la molécula. Y es increíble que toda la interpretación de todos los objetos que vemos en el cielo – por qué tienen un color, qué edad tienen, cuál es su estado de evolución- se hace siempre a través de la física atómica y nuclear… Realmente es el estudio de lo grande pero basado en la compresión de lo que ocurre a escala nanoscópica, por eso le llamamos Nanocosmos.
¿Y cómo acaban alguien experto en átomos mirando el universo?
En mi caso siempre trabajé en astrofísica molecular, aspectos relacionados con las propiedades de la materia a escala del átomo. La idea del proyecto surge al observar las estrellas evolucionadas, las estrellas gigantes rojas, que ha sido lo que he estudiado durante casi toda mi carrera. En un momento dado, hablado con mis colegas Christine Joblin y José Angel Martín Gago surge la idea de intentar reproducir en el laboratorio algunos de los procesos que suceden en los granos de polvo. Pero el proyecto hace muchas cosas más para reunir la información necesaria y entender los procesos físico-químicos que ocurren en el espacio. Al final, en ciencia todo lo que estudiamos tiene un impacto en el conocimiento que tenemos de nosotros mismos y en este caso queremos saber cómo se formó la Tierra. No está mal, ¿no?
