núcleos halo

En un tanque con tres toneladas de xenón líquido, escondido en las profundidades de la tierra, algo se movió una vez. No fue el propio xenón, sino uno de sus núcleos atómicos: recibió un empujón con una energía de 248 mil electronvoltios y retrocedió como una bola de billar golpeada por una bola invisible.

El núcleo atómico no es un saco de canicas, sino una estructura ordenada donde los protones y neutrones llenan capas, como los electrones en el átomo. Cuando una capa se llena, el núcleo se vuelve especialmente estable, y al número de partículas se le llama mágico. Para el calcio, con 20 protones, los números mágicos clásicos de neutrones son 20 y 28.

El núcleo atómico no siempre es redondo, como una bola de billar. Algunos núcleos se alargan con forma de balón de rugby, mientras que otros se vuelven parecidos a una pera, con un extremo más grueso que el otro.

El núcleo de un átomo suele imaginarse como una esfera densa donde protones y neutrones están mezclados. Pero en algunos isótopos, los neutrones pueden sobresalir mucho más allá de esa esfera, formando una capa difusa: un halo de neutrones. Esto ocurre sobre todo en núcleos con muchos más neutrones que protones.

Erwin Schrödinger reflexionó sobre cómo la vida mantiene el orden a pesar de la segunda ley de la termodinámica. Ni siquiera podía imaginar que parte de la respuesta se oculta en la inestabilidad de las estrellas gigantes.

En el centro de cada átomo hay un núcleo: una densa esfera de protones y neutrones. Estas partículas no se amontonan al azar, sino que llenan niveles de energía estrictos, como pisos en un rascacielos. Cuando un piso está completamente ocupado, el núcleo se vuelve especialmente estable: los físicos lo llaman número mágico. El más pesado de estos números en núcleos estables es 126 neutrones.

Durante mucho tiempo, los astrónomos buscaron las «fábricas» de los rayos cósmicos más energéticos — partículas que llevan en su interior un macromundo comprimido al tamaño de un núcleo atómico. Las sospechas recaían sobre colosales regiones de formación estelar como Cygnus OB2, donde chocan los vientos de jóvenes gigantes.

En física nuclear reinó durante mucho tiempo la convicción de que dos neutrones no pueden formar un estado ligado: se atraen demasiado débilmente y se dispersan de inmediato. Sin embargo, en la superficie de los núcleos ricos en neutrones, donde la densidad de la materia cae a milésimas de la nuclear normal, la situación cambia radicalmente.

Una supernova es la explosión final de una estrella masiva, que dispersa su materia a años luz a la redonda. Dentro de la envoltura en expansión queda una estrella de neutrones, y la propia envoltura sigue viajando a través del gas interestelar durante miles de años.

Para conocer el tamaño real del protón, los físicos reemplazaron el electrón en el átomo de hidrógeno por su copia pesada: el muón. El muón, como una lupa con aumento de mil veces, se acerca al núcleo y «palpa» el protón con una precisión antes inalcanzable.

Cuando un núcleo atómico pesado se rompe, no se divide en dos mitades uniformes. Primero aparecen dos fragmentos con forma de pera, presionados uno contra otro por sus extremos estrechos. Luego, el punto de unión comienza a aplanarse, como si dos gotas se fusionaran y la superficie se nivelara rápidamente.

Si el núcleo de un átomo es una familia, en la casa del helio común viven dos protones y dos neutrones, bien agarrados de la mano. Ahora imagina que uno de los miembros de la familia es un excéntrico al que le encanta pasear lejos de casa.

Un núcleo atómico ordinario se parece a una madeja apretada: protones y neutrones están empaquetados de forma compacta. Pero en algunos núcleos ligeros, como el helio-6, la cosa es distinta. Dos neutrones parecen apartarse y forman alrededor del núcleo una nube difusa: el llamado halo.

Un reactor nuclear convencional se parece a una caldera donde el combustible arde de manera uniforme en todo el volumen. Aquí el panorama es otro: por una barra cilíndrica de carburo de uranio avanza lentamente una onda de fisión: una zona estrecha donde los átomos se dividen y liberan calor.

El núcleo de un átomo no siempre es redondo. Puede estirarse como un melón o achatarse como una calabaza. Y de esa forma depende su tamaño, igual que del tamaño de la masa depende el tamaño del pastel. Los científicos calcularon la forma y el tamaño de los núcleos de los isótopos de berkelio, un elemento pesado que se obtiene en reactores.

Un puñado de plastilina con una bolita pegada lejos, a un lado, se vuelve suelto y alargado. Así está organizado aproximadamente el núcleo del berilio-11: un neutrón estrella de neutrones se balancea en la periferia, formando un "halo" alrededor del núcleo denso.

Un haz de luz con polarización circular incide sobre un cristal de perovskita MAPbI3. Los electrones dentro del cristal comienzan a comportarse como pequeñas peonzas cuyos ejes se alinean a lo largo del haz. Este fenómeno se conoce como orientación óptica de espines.

El núcleo de un átomo suele tener una forma definida: alargada como un melón o achatada como una calabaza. Pero el silicio-30 se comporta de otra manera: parece no poder decidir cómo ser.

Dos galaxias se acercan como una pareja de bailarines que se separan y vuelven a atraerse. En el momento de un acercamiento especialmente íntimo, su gas se comprime y de sus entrañas emerge una brillante luz ultravioleta. Esto es precisamente lo que ocurre en el sistema Hara 11, la pareja de galaxias en fusión más cercana a nosotros que deja escapar esa luz.

En la densa nube de gas W44, donde nacen estrellas, el telescopio ALMA ha distinguido ocho diminutos grumos que se mueven a velocidades enormes. Cada uno de ellos, en los mapas de «posición-velocidad», tiene forma de letra V latina, igual que la ya conocida «Bala» encontrada anteriormente. Esta similitud sugiere un origen común.

En el vivero estelar HOPS-288, donde se forman tres soles, el telescopio ALMA reveló dos regiones calientes alrededor de un par de ellas. A –170°C, el hielo del polvo cósmico se derrite y en el gas se desencadenan reacciones: nacen moléculas orgánicas como metanol y formiato de metilo.

Muy por encima de la capa de hielo de la Antártida, un globo con un detector permaneció suspendido durante veinte días. Atrapó diminutas partículas que habían viajado millones de años hasta nosotros desde lejanas explosiones estelares. Ahora los científicos han analizado su captura y han contado cuánta energía portaban los protones y los núcleos de distintos elementos.