Las abundancias químicas estelares se refieren a las cantidades relativas de los diferentes elementos químicos en la atmósfera de una estrella. Estas abundancias son las huellas dactilares de la nube de nacimiento de la estrella y de su evolución posterior. Al medirlas, los astrónomos pueden rastrear la historia del universo, desde el hidrógeno y el helio primordiales forjados en el Big Bang hasta los elementos más pesados producidos en estrellas y supernovas. El patrón de abundancias en una estrella nos dice cuándo se formó, de qué tipo de gas provino e incluso sobre el entorno de su galaxia madre.
Historia
El campo comenzó en la década de 1920 con el trabajo pionero de Cecilia Payne-Gaposchkin, quien demostró que las estrellas están compuestas principalmente de hidrógeno y helio. Más tarde, en las décadas de 1950 y 1960, los análisis detallados de abundancias se volvieron rutinarios gracias a la mejora de la espectroscopía y de los modelos de atmósferas estelares.
Cómo funciona
Los astrónomos determinan las abundancias analizando el espectro de la estrella, es decir, la luz que emite o absorbe. Cada elemento absorbe o emite luz en longitudes de onda específicas, creando líneas características. La intensidad de estas líneas, combinada con modelos de la atmósfera estelar (temperatura, presión, densidad), permite a los científicos inferir cuánto de cada elemento está presente. Comparar abundancias entre diferentes estrellas revela tendencias, como el aumento de elementos pesados con el tiempo a medida que generaciones sucesivas de estrellas enriquecen el medio interestelar.
En la práctica
Las abundancias estelares se utilizan para reconstruir la evolución química de las galaxias, identificar estrellas que se formaron a partir de gas casi prístino e incluso para encontrar estrellas que podrían albergar planetas con composiciones específicas, un insumo clave para comprender la habitabilidad planetaria.
Dato curioso
La abundancia de hierro en el Sol es aproximadamente del 0,3% en masa, pero esta pequeña fracción es suficiente para saber que el Sol se formó a partir de gas enriquecido por muchas generaciones anteriores de estrellas masivas.
Un censo de población según la forma del cuerpo: así se puede describir lo que hicieron los astrónomos con 6348 galaxias masivas. En lugar de estatura y peso, midieron cuánto se concentra la luz hacia el centro, cuán achatada está la galaxia y cuán asimétrica es su forma. Luego repitieron las mismas mediciones en galaxias de tres modelos computacionales del universo y compararon los resultados.
A 40 años luz de nosotros vive una estrella que durante mucho tiempo pasó desapercibida: TRAPPIST-1 emite al espacio dos mil veces menos luz que el Sol. Pero a su alrededor se encontraron nada menos que siete planetas del tamaño de la Tierra, y tres de ellos orbitan en la zona donde el agua podría permanecer líquida.
El cielo nocturno en luz de neutrinos se asemeja a un lienzo en el que trabajan dos manos. Una sostiene un pincel ancho y suave: son los restos de supernova, las envolturas que quedan tras las explosiones estelares. La otra aprieta una pluma fina y dura: los microcuásares, sistemas binarios donde un agujero negro enrolla materia en chorros estrechos.
Dos estrellas, AF Lep A y ε Indi A, se convirtieron en el centro de atención. Con el espectrógrafo GHOST en el telescopio Gemini, los astrónomos descompusieron su luz en colores y, mediante las líneas de absorción, determinaron cuánto carbono, oxígeno, azufre y otros trece elementos hay en sus atmósferas.
Dos estrellas giran una alrededor de la otra como bailarines que se acercan y se alejan. Con el tiempo, una de ellas se hincha y sus capas externas fluyen hacia la vecina. La que recibe el material ajeno no se distingue en apariencia de una estrella solitaria, pero su superficie lo recuerda todo.
Alrededor de estrellas jóvenes giran nubes planas de gas y polvo: los futuros sistemas planetarios. En algunos de ellos se abre un vacío: el polvo y el gas han sido barridos, como si alguien hubiera adelgazado el centro de un disco de vinilo. Estos discos con huecos se llaman discos de transición.
La edad de una estrella es la llave para la historia de la Galaxia. Pero arrancarle esa llave a la naturaleza no es fácil: a diferencia de un árbol, una estrella no acumula anillos de crecimiento.
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 la gigantesca cuna cósmica, la nebulosa Tarántula, los astrónomos observaron de cerca 122 estrellas masivas, cada una al menos 30 veces más pesada que el Sol. Midieron el contenido de nitrógeno en sus atmósferas y el panorama resultó inesperado.
Imagine un antiguo manuscrito en el que una nueva historia se ha escrito sobre un texto más viejo. Con el tiempo, la capa superior se adelgaza y las líneas del pasado asoman a través de ella. Así, como un palimpsesto, funcionan los cúmulos globulares, los sistemas estelares más antiguos del Universo.
Cada estrella es un archivo vivo, y su espectro, un manuscrito en capas. Durante miles de millones de años, se escribe en él la historia de la galaxia: la evolución química galáctica de la Vía Láctea deja una huella suave en la abundancia de elementos.
Durante años, el Sol provocó a los astrofísicos. En su atmósfera, los elementos refractarios —como especias en una receta base— eran ligeramente más escasos que en estrellas gemelas casi idénticas. Surgió la sospecha: ¿será que nuestra estrella se muestra modesta, renunciando al «postre» planetario que otras devoran con apetito?
Las estrellas masivas son titanes cósmicos, cuyas vidas transcurren bajo el signo de una energía indomable. Cuando una de estas estrellas entra en la fase de supergigante B[e], su radiación es tan potente que, aparentemente, sería capaz de disociar cualquier molécula en átomos.
Imagina un bosque plantado en un solo día. A simple vista todos los árboles son iguales, pero sus anillos de crecimiento cuentan historias distintas: unos crecieron en suelo virgen, otros sobre cenizas de incendios antiguos.
El cúmulo de galaxias de Perseo es una metrópolis gigante de miles de islas estelares, inundada por un océano invisible de gas ardiente. Ese gas, como el smog urbano, guarda las huellas de todas las fábricas químicas que trabajaron en las galaxias durante miles de millones de años: explosiones de supernovas que esparcen a su alrededor átomos recién forjados.
La galaxia NGC 1277 se parece a un libro antiguo que nadie ha abierto en miles de millones de años. Se formó rápidamente, en los albores del universo, y desde entonces apenas ha cambiado: no ha chocado con sus vecinas ni ha acumulado nuevas capas.
El telescopio James Webb observó el disco de gas y polvo alrededor de una joven estrella, donde nacen planetas, y por primera vez distinguió hielo de agua pesada. Esta agua no es común: en sus moléculas, el hidrógeno ordinario es reemplazado por deuterio, su primo más pesado.
El Universo suena. No en el sentido habitual: su sinfonía está grabada en las minúsculas variaciones de densidad a partir de las cuales crecieron las galaxias y nosotros mismos.
Las galaxias elípticas son tranquilas megápolis estelares jubiladas. Según todas las leyes, su luz debería ser serena, rojiza, como un atardecer. Pero los espectros gritan lo contrario: en el ultravioleta lejano, estas ancianas arden como guirnaldas navideñas. Durante tres décadas, los astrónomos se devanaron los sesos con este «repunte ultravioleta» (UV upturn).
Una orquesta abarrotada toca cada instrumento su propia parte, y tú intentas distinguir la voz suave de una flauta rara: su melodía se ahoga entre violines y trompetas. Así se ve, más o menos, la caza de moléculas en las nubes interestelares: los telescopios captan las «voces de radio» de muchas sustancias, y distinguir la señal buscada entre el ruido no es tarea fácil.
En un parque urbano, los árboles crecen más rápido que en un bosque profundo. No porque el suelo sea mejor, sino porque aquí chocan más a menudo sus ramas e intercambian semillas. Algo parecido hacen las galaxias en el protocúmulo de la Telaraña: un enorme cúmulo de materia que, dentro de miles de millones de años, se convertirá en un cúmulo maduro.
A partir de carbono, nitrógeno, oxígeno y azufre se pueden formar 10⁶⁰ moléculas pequeñas distintas: un 1 seguido de 60 ceros, más que estrellas en el universo observable. La vida solo utiliza una diminuta parte de este menú, pero no de cualquier manera.
Una nube gigante de gas y polvo, tan fría que el calor apenas se percibe, a solo unos grados por encima del cero absoluto. Es TMC-1, en la constelación de Tauro, una de las cunas más oscuras y densas de moléculas en nuestra galaxia.
En las nubes oscuras y frías de gas interestelar, los astrónomos llevan varios años detectando moléculas aromáticas, compuestos basados en el anillo de benceno (un hexágono de átomos de carbono), como el benceno que conocemos.
Una burbuja de aire se desprende de una aguja fina en el fondo de un vaso y asciende. En agua limpia se comporta como un muelle: se aplana y se estira alternativamente, intercambiando energía entre el movimiento y la forma. Basta añadir una gota de jabón al agua para que la burbuja se calme de inmediato, se vuelva casi perfectamente esférica y suba recta, sin temblores.
Un cocinero añade más azúcar a la masa y el pastel sale distinto. Igual ocurre con una estrella: la composición de su "masa" —la nube de gas y polvo de la que nacen los planetas— determina qué mundos aparecerán a su alrededor.
Dos estrellas muy pequeñas y frías, similares a la famosa TRAPPIST-1, viven en el joven cúmulo estelar de Escorpio Superior. Tienen solo 5–10 millones de años: en términos cósmicos, son bebés. Alrededor de cada una gira un disco de gas y polvo del que, con el tiempo, podrían formarse planetas.
Las estrellas antiguas, casi desprovistas de elementos pesados, son como restos fósiles de los primeros fogonazos cósmicos. Durante mucho tiempo se pensó que la extraña proporción de carbono, hidrógeno y helio en tres de estas estrellas exigía una explosión de hipernova, una supernova superbrillante con cientos de veces más energía de lo…
Los radiotelescopios captaron la radiación del objeto celeste G358.93-0.03 MM1, un caliente capullo dentro del cual se enciende una estrella masiva. En ese resplandor se detectaron líneas de glicolamida, una delicada molécula de carbono.
Mucho antes de que una estrella se encienda en una nube de gas, allí ya hierve una vida química. En los grumos fríos y densos de gas —llamados núcleos sin estrellas— los átomos se unen formando moléculas, simples y más complejas. Para observar esta cocina invisible, los astrónomos apuntaron un radiotelescopio de cuarenta metros en Yebes hacia 23 de estas nubes en la nebulosa de Orión.
En los albores de la Tierra, hace unos cuatro mil millones de años, el planeta era un lugar hostil: un sol tenue, frecuentes impactos de asteroides, aire sin oxígeno. En tales condiciones, los primeros pasos de la vida parecen casi imposibles.
En la década de 1950, la astrónoma Vera Rubin descubrió que las estrellas en los bordes de las galaxias se movían demasiado rápido, retenidas por una masa invisible. Así nació el misterio de la materia oscura. No emite luz, pero se manifiesta a través de la gravedad.
En el centro de Omega Centauri, el cúmulo globular más masivo de nuestra Galaxia, miles de estrellas se apiñan tan densamente que desde la Tierra su luz se funde en un punto brillante. Separar este enjambre en estrellas individuales y conocer la composición de cada una es una tarea parecida a desarmar un hormiguero repleto.
La cocina de una galaxia lejana no se limita a su brillante disco. Alrededor de cada sistema estelar hay una nube de gas invisible, como el vapor sobre una olla de sopa. Los astrónomos miraron ese vapor en galaxias que se ven tal como eran solo mil quinientos millones de años después del Big Bang.
Cuando un cocinero prepara un plato, no solo importan las proporciones de los ingredientes, sino también su cantidad total. Dos pasteles con la misma proporción de azúcar y harina, pero hechos con porciones de diferente tamaño, quedarán distintos.
En una nube oscura y fría entre las estrellas, una mota de polvo de una milésima de milímetro atrapa moléculas ligeras. El monóxido de carbono y el hidrógeno se adhieren a su superficie como gotas de lluvia a un cristal y reaccionan. Tras varios pasos se obtiene metanol, el mismo alcohol que forma parte del limpiaparabrisas.
A 130 años luz de nosotros, alrededor de la joven estrella HR 8799 orbitan cuatro planetas gigantes, cada uno de 5 a 10 veces más masivo que Júpiter. Se encuentran lejos de la estrella, a distancias de entre 15 y 70 unidades astronómicas (una unidad astronómica es la distancia de la Tierra al Sol).
Los astrónomos, usando el James Webb y la espectroscopía (descomponer la luz en colores), observaron a través del polvo el centro de la galaxia IRAS 07251-0248. Allí encontraron benceno, acetileno, metano: los mismos hidrocarburos que forman la gasolina y los plásticos.
En las galaxias Antena, que se están estrellando entre sí, nubes de gas gigantes colisionaron a una velocidad de 50 kilómetros por segundo. Es como dos trenes que se precipitan uno contra el otro: el impacto comprimió el gas y este se encendió con nuevas estrellas.
Alrededor de las estrellas jóvenes giran discos de gas y polvo, como si fueran andamios para futuros planetas. De este material se formarán mundos rocosos y gigantes gaseosos. Por eso, la composición química del disco determina directamente cómo serán los planetas.
