Para hacer un pastel de manzanas desde el principio, primero hay que crear el Universo. Carl Sagan

Los estudiantes pre-médicos que se esfuerzan sobre sus tareas domiciliarias en química orgánica podrían ser disculpados por soñar con los ojos abiertos sobre un universo sin oxígeno o carbono. Cosas esenciales del colegio como ser los spaghetti o las patatas fritas serían algo totalmente desconocido en un universo privado de carbono, pero aún el más duro de los cursos de química sería apenas un chasquido de dedos.|

Un universo así existió hace unos diez mil millones de años. De acuerdo con la teoría del Big Bang, justo antes de que las primeras estrellas se formaran, el cosmos esta hecho enteramente de los tres átomos más simples: hidrógeno (H), helio (He) y pequeñas cantidades de litio (Li). Era el sueño de todo acosado estudiante de química hecho realidad. No había átomos ni de oxígeno ni de carbono ni de ninguno de los elementos que conforman la mayor parte de la tabla periódica de hoy en día.

Un rápido vistazo alrededor de la habitación dará prueba de que los tiempos han cambiado. Los elementos livianos que llenaban el universo son raros en la Tierra, mientras que nuestro planeta y nosotros mismos consistimos principalmente de los átomos más pesados, como el oxígeno y el nitrógeno, que faltaban en el amanecer de la historia cósmica.

El “ciclo CNO”, una cadena de fusión de las estrellas que forma átomos de helio a partir del hidrógeno con la ayuda del carbono como catalizador. Esta gráfica está basada en un diagrama del sitio web “Formación de los Elementos Pesados” (Formation of the Heavy Elements) de los Laboratorios Lawrence Berkeley.

¿Qué fue lo que pasó entre entonces y ahora?. La formación de las estrellas.

Las primeras estrellas que colapsaron a partir de las nubes primordiales de gas hace 10 mil millones de años estaban compuestas principalmente de hidrógeno y helio. A medida que la gravedad hacía que las recién nacidas estrellas se contrajeran, las temperaturas cercanas a sus núcleos alcanzaron niveles que dispararon la fusión nuclear, el mismo proceso que genera la energía de nuestro Sol hoy en día. En un reactor estelar de fusión, los átomos livianos como H y He son triturados unos con otros para formar especies más pesadas. El hidrógeno y el helio se transmutan en elementos como el carbono, el nitrógeno y el oxígeno en los núcleos de las estrellas de tamaño mediano. Las estrellas que son 10 o más veces más masivas que el Sol pueden formar átomos tan pesados como el del hierro (Fe) antes de explotar como cataclísmicas supernovas. Los átomos más masivos que los de hierro se forman en las ondas de explosión de las supernovas (lo que explica la existencia de sustancias útiles como el plutonio y el uranio). Los restos de las supernovas siembran las nubes interestelares con los materiales básicos para los mundos rocosos y la vida basada en el carbono.

En las inmortales palabras de Carl Sagan, “somos material estelar”.

Los científicos que utilizan el Observatorio Chandra de Rayos-X de la NASA están disfrutando de una vista en primer plano del material estelar emergiendo de uno de los más jóvenes remanentes de supernova en nuestra galaxia. Casiopea A (Cas A) es el resto de una estrella que estalló hace unos 9.400 años. Está relativamente cerca (solamente a unos 9.100 años luz de distancia), de modo que debería ser lo suficientemente brillante como para causar una conmoción cuando apareció en el cielo nocturno a mediados del siglo XVII, pero la mayoría de los astrónomos se perdió la explosión. Sir John Flamsteed, el Astrónomo Real británico, puede haber visto a Cas A en 1670. Si fue así, la confundió con una estrella y no realizó observaciones posteriores. No se sabe de ningún otro avistamiento.

Una imagen tomada por Chandra en rayos-X de los remanentes de la supernova Cas A está sobreimpuesta sobre una fotografía de la Luna llena para mostrar sus tamaños comparativos. La Luna tiene 30 minutos de arco de diámetro; Cas A tiene aproximadamente 5 minutos de arco de ancho. La Luna es mucho más pequeña que Cas A, pero parece mayor en el cielo porque está muy cerca. El diámetro de Cas A es más de tres veces la distancia de cuatro años luz desde el Sol hasta la estrella más cercana, Alfa del Centauro.

Cas A es muy tenue cuando se la observa en la luz visible, pero su enorme caparazón (de 13 años luz de diámetro) está llena de gas a 30 millones de grados Kelvin que resplandece con fuerza con las energías de los rayos-X. El remanente es enorme, aproximadamente un sexto de la luna llena tal como se la ve desde la Tierra, así que es un blanco atractivo para el poderoso telescopio de rayos-X de Chandra.

Chandra transporta un instrumento llamado Espectrómetro Avanzado de Fotografía CCD (ACIS = Advanced CCD Imaging Spectrometer) que puede medir la energía de los fotones de rayos-X que llegan hasta nosotros y asociarlos con elementos químicos específicos. Utilizando el ACIS, los astrónomos están tomando fotografías de Cas A que revelan la distribución de los átomos pesados, como el oxígeno, el silicio y el hierro en la rápidamente expandible cáscara de la supernova, y éso muestra como esos elementos se están mezclando con el medio interestelar de gas y polvo.

Precisamente el mes pasado la NASA publicó nuevas imágenes ACIS de Cas A en longitudes de onda correspondientes a rayos-X que son emitidas por iones de silicio (Si), hierro (Fe) y calcio (Ca). En el lado oriental de la cáscara de la supernova, las imágenes de Ca y Si revelan un chorro de alta velocidad emergiendo hacia una región de relativamente baja densidad del medio interestelar. Los científicos especulan que el chorro podría significar una asimetría en la explosión original de la supernova. En el lado opuesto, las observaciones de radio y en otras longitudes de onda indican que Cas A está surcando una nube de gas molecular interestelar que confina el flujo externo de la cáscara.

Las imágenes en rayos-X de Chandra de los restos de la supernova Cas A. La imagen de silicio muestra un chorro ancho chorro brillante que irrumpe desde el lado superior izquierdo de los restos, y corrientes más tenues que salen en dirección opuesta. La imagen de calcio es similar a la de silicio, pero menos brillante y grumosa. La imagen de hierro es diferente a las otras. Como el hierro es el elemento más pesado que se muestra, estos mapas apoyan la idea de que las capas de la estrella fueron invertidas antes de la explosión o durante la misma. Crédito: NASA/GSFC/U. Hwang et al.

Hay diferencias intrigantes entre los mapas de Ca y de Si con el mapa de Fe, el cual es más grumoso y no muestra un chorro tan claro. El material rico en hierro viene del núcleo interior de la estrella, donde las temperaturas de fusión eran más altas. Los científicos han examinado cuidadosamente estos mapas y notan que los nódulos contenedores de hierro que vienen de lo más profundo de la estrella parecen ser los más cercanos al borde exterior de los restos. Esto significa que son los que fueron lanzados más lejos por la explosión que creó a Cas A. [más información]

El envoltorio exterior de Cas A se está expandiendo a una velocidad de 800 km/s Esto es lo suficientemente rápido como para que las imágenes que tomó Chandra a lo largo de los años muestren como los nudos de la cáscara cambian y se enfrían. Monitoreando estos cambios, los científicos de Chandra esperan aprender más sobre cuán rápidamente y en qué forma los diferentes elementos son depositados en el medio interestelar.

Casiopea A es demasiado tenue como para ser vista por el ojo desnudo, pero resulta fácil ver el remanente en el cielo del verano boreal. Simplemente, hay que salir luego de la puesta del sol y mirar hacia unos 45º sobre el horizonte nor-nordeste entre las constelaciones de Cefeo y Casiopea.

Aún después de más de 10 mil millones de años de formación estelar, el hidrógeno y el helio siguen siendo los átomos más aplastantemente dominantes en el cosmos. Los átomos más pesados como los que vemos en la cáscara de Cas A están sobre-representados en la Tierra porque H y He son gases volátiles que el calor solar aleja de los planetas terrestres de poca gravedad. El masivo Júpiter, por otro lado, está compuesto casi totalmente de hidrógeno, como sucede con el Sol.

Puede que los elementos pesados no sean más que raros polucionantes del cosmos, pero son tremendamente importantes para nosotros. Sin ellos, los sólidos planetas rocosos serían imposibles, y las probabilidades de una vida tipo terrestre serían correspondientemente oscuras. Siendo las cosas como son, el hierro que ahora vemos en Cas A puede algún día fluir como la hemoglobina en la sangre de alguna futura especie extraterrestre. Los rápidos nódulos de silicio de la supernova podrían proporcionar el material básico para la arena de las costas de otros mundos, donde las olas de H2O envíen tronantes ondas sónicas a través de una atmósfera rica en nitrógeno. Y quizás, en ese mundo extraño, los atareados estudiantes de ciencia se distraigan por los atractivos sonidos de las olas distantes y deseen tener menos química orgánica y más tiempo para la playa.

El Centro Marshall de Vuelo Espacial de la NASA dirige el programa Chandra. TRW, Inc, de Redondo Beach, California, es el contratista principal de la nave. El Centro Smithsoniano Chandra de Rayos-X controla las operaciones científicas y de vuelo desde Cambridge, Massachussets.