Metales, mitos y estrellas

El avance del conocimiento y las sociedades humanas está estrechamente relacionado con el dominio de los metales, los hijos de las estrellas.

Todo el oro, como el usado para este anillo de Ramsés
II, se ha creado en explosiones de supernovas como la
SN 1994D.
(anillo: foto CC de Guillaume Blanchard; supernova:
foto CC de NASA/ESA por el telescopio Hubble)

Dice el "Breve diccionario etimológico de la lengua castellana" de Joan Corominas que la palabra "metal" entró en nuestro idioma hacia el año 1250, proveniente del latín "metallum", que probablemente significaba "mina". El Oxford English Dictionary añade que la palabra latina proviene del griego "metallon", que significaba por igual "mina", "cantera" o, sí, "metal".

Los griegos y romanos que les dieron nombre conocían únicamente siete metales: oro, cobre, plata, plomo, estaño, hierro y mercurio, mientras que los indostanos conocían además el zinc y los chinos el cromo, como se descubrió al ver que algunas armas del ejército de terracota de Xian lo usaban como recubrimiento. Pero no fue sino hasta el siglo XVIII cuando se desencadenó el hallazgo de los diversos metales que conocemos hoy.

Los metales son elementos químicos (o sus compuestos o aleaciones) que son buenos conductores del calor y de la electricidad, generalmente con un brillo característico, maleables y dúctiles, y que pierden fácilmente electrones para fomar iones positivos. Forman la mayor parte de los 90 elementos de la tabla periódica que se pueden encontrar en la naturaleza, 66 de ellos, divididos en 6 categorías.

Formación de los metales

El hombre encontró los primeros metales en su forma pura, como hoy aún podemos encontrar pepitas o vetas de oro, pero otros metales sólo se encuentran en forma de compuestos que deben ser beneficiados o procesados para extraerlos. Por supuesto, el origen mismo de esos asombrosos materiales fue asunto de la mitología.

Para algunos pueblos, los metales eran producto del sacrificio o autoinmolación de algún dios o semidiós, partes sagradas derramadas en beneficio de la humanidad. Para los antiguos chinos, la copulación del "chi" (energía vital mágica) de la tierra con el Cielo Polvoriento producía el nacimiento de un metal que, al paso de los milenios, iba generando los demás. Para Aristóteles, los metales y todos los minerales nacían de exhalaciones de la tierra relacionadas con los cuatro elementos. Las proporciones de los cuatro elementos daban como resultado los distintos minerales y metales conocidos.

La idea de que los metales estaban en continua formación, ya fuera por relaciones sexuales, exhalaciones o el crecimiento orgánico incluía el concepto de que si se dejaban reposar las explotaciones mineras agotadas, éstas se reabastecerían y se volverían, decía Plinio, "más productivas" debido al "aire que se infunde por los orificios abiertos".

En el siglo XVI, Jerónimo Cardano, matemático y médico del renacimiento y uno de los fundadores de la teoría de la probabilidad, se hacía eco de esta creencia: "los materiales metálicos son a las montañas lo mismo que los árboles, y tienen sus raíces, troncos, ramas y hojas... ¿Qué es una mina si no es una planta cubierta de tierra?"

La idea del origen orgánico de los metales, su sexualidad y su composición elemental, y la creencia en que todos los metales eran la "semilla" del oro fueron bases de la alquimia, que buscaba en el "matrimonio de los metales" la consecución del sueño de la piedra filosofal, y soportó todavía varios siglos después del renacimiento.

Poco a poco, el avance del conocimiento científico sugirió que los metales, como todos los demás elementos, habían nacido con el universo. Pero, ¿al mismo tiempo o de modo progresivo?

Quien dio la clave del origen de los elementos pesados fue el físico inglés Sir Arthur Eddington, que en 1920 sugirió que las estrellas obtenían su energía fusionando núcleos de hidrógeno para producir helio, es decir, que eran grandes hornos de fusión nuclear. No fue sino hasta 1938 cuando el físico alemán Hans Bethe describió los mecanismos de la fusion de hidrógeno en helio.

Pero no explicaba los elementos más pesados que el helio, que abordó el físico Fred Hoyle después de la segunda guerra mundial, señalando cómo la abundancia de los elementos en una galaxia aumentaba conforme ésta envejecía. Es decir, que las estrellas iban produciendo, mediante fusión nuclear, elementos progresivamente más pesados que el hidrógeno (con un protón en el núcleo) y el helio (con dos protones). Por eso, precisamente, elementos ligeros (desde el punto de vista atómico) como el carbono, el oxígeno o el hierro son muy abundantes y otros más pesados como el oro, el mercurio y el uranio, son muy escasos.

Las enormes fuerzas del interior de las estrellas fusionan los elementos en su interior creando núcleos más pesados, lo que se conoce como "nucleosíntesis estelar". Dos átomos de hidrógeno producen uno de helio. Tres de helio se fusionan creando uno de carbono (que tiene 6 protones). Uno de carbono y uno de helio se conjuntan en un átomo de oxígeno, y así sucesivamente hasta llegar al hierro, el elemento más pesado que puede producirse dentro de una estrella y que en su núcleo tiene 26 protones.

El hierro es el elemento que tiene la energía de unión más fuerte e incluso las fuerzas de las estrellas comunes no pueden provocar que se fusione dando lugar a elementos más pesados, pero aún así, en la naturaleza, hay muchos elementos con núcleos más pesados que el hierro, desde el cobalto (con 27 protones) hasta el uranio (con 92), y sin contar los elementos hechos por el hombre que hasta la fecha llegan al elemento "ununoctio", con 118 protones.

Los elementos que van del cobalto al uranio sólo pueden producirse en las masivas explosiones de estrellas que llamamos "supernovas", lo que conocmos como "nucleosíntesis explosiva". que además, al estallar, distribuyen por el universo los elementos más ligeros creados cuando eran simples estrellas.

El polvo estelar lanzado por las supernovas puede después empezar a reunirse en nubes giratorias que dan origen a nuevas estrellas y sistemas solares. Así ocurrió con el nuestro. Todos los elementos de nuestro planeta más pesados que el hidrógeno y el helio, los dos principales elementos nacidos durante la explosión que dio origen al universo, el Big Bang, están fabricados en el interior de las estrellas. Estamos hechos, como decía Carl Sagan, del material de las estrellas.

Origen En 2011, un grupo de investigadores publicó en la revista "Experimental Astronomy" una propuesta de misión a la Agencia Espacial Europea. La misión, llamada "Origen: creación y evolución de los metales desde el amanecer cósmico" pondría en órbita un observatorio espectroscópico para analizar la composición de grupos de galaxias y responder a preguntas como ¿cuándo se crearon los primeros metales?, ¿cómo evoluciona el contenido metálico del cosmos? y ¿dónde se encuentra la mayor parte de los metales del universo? La ESA aún no ha dado respuesta.

Cataclismos cósmicos

Los restos de la supernova de Kepler
(Foto D.P. de NASA/ESA/JHU/R.Sankrit y W.Blair,
vía Wikimedia Commons

Todas las explosiones que puede imaginar y fingir Hollywood no son sino un petardo sin importancia junto a los acontecimientos más violentos del universo real: las supernovas.

Era el año 185 de la Era Común y en el imperio romano las legiones se amotinaban contra el emperador Cómodo, que dilapidaba el tesoro romano con su pasión por los juegos gladiatorios, en los que él mismo gustaba de participar. En Asia se acercaba el fin de los más de 400 años de dominio de la Dinastía Han ante otras rebeliones, como la de los turbantes amarillos o la de los cinco montones de arroz del año 184. Fue el año en que los astrónomos imperiales anotaron en “Los anales astrológicos del libro de Han posterior” el avistamiento de una “estrella visitante”, como llamaron a una luz brillante que apareció súbitamente en el cielo nocturno, que titilaba como una estrella, no se movía a diferencia de los cometas y, en ocho meses, se desvaneció.

Los astrónomos creen hoy que es muy posible que aquellos sabios chinos hayan hecho el primer registro de la historia humana de una supernova. En la zona donde los astrónomos imperiales describieron esa misteriosa estrella, modernos instrumentos como los telescopios espaciales Chandra y XMM-Newton han encontrado una capa gaseosa que podría ser la huella de la supernova SN185, llamada así por el año en que ocurrió.

Desde entonces, el ser humano ha visto más de mil acontecimientos similares, estrellas que surgen de súbito y se desvanecen en cosa de días o meses.

Fue el danés Tycho Brahe el primero que, en su libro de 1573 “Sobre la nueva estrella” señaló que las “nuevas estrellas” (o “novas”) no eran fenómenos que ocurrían cerca de nuestro planeta. Sus cuidadosas observaciones de la “nova de Tycho” de 1572 demostró que estaba mucho más allá de las supuestas “esferas celestiales” perfectas e inmutables de Platón, Aristóteles y Ptolomeo. El modelo precientífico era incorrecto. Sólo doce años después, Giordano Bruno promovería la idea de que las estrellas eran, en realidad, cuerpos iguales a nuestro sol, pero a grandes distancias, y que podrían incluso tener planetas (su idea de que podrían albergar vida le costó la ejecución a cargo de la Inquisición).

Si las estrellas eran soles, las “novas”, y las aún más colosales “supernovas” son soles que de pronto brillan más intensamente. Hoy sabemos por qué.

Novas y supernovas

Las estrellas brillan debido a las reacciones nucleares que ocurren en su interior, donde los átomos de hidrógeno, con un protón en su núcleo, se fusionan formando átomos de helio con dos protones y, al hacerlo, producen una enorme cantidad de energía. La fusión depende de la masa de la estrella: mientras más masa posee, puede fusionar componentes más pesados, es decir, con más protones en su núcleo.

Cuando se va agotando su capacidad de sostener la fusión nuclear, una estrella con una masa de menos de cinco veces nuestro sol crece convirtiéndose en gigante roja para luego encogerse como “enana blanca”, una estrella muy densa compuesta principalmente de oxígeno y carbono. Si esta estrella es parte de un sistema doble, o binario, algo muy común en el universo (nuestra vecina más cercana, Sirio, es una estrella doble), puede por gravedad hidrógeno y helio de su vecina hasta que estos elementos entran en una violenta reacción nuclear de fusión descontrolada. Es lo que conocemos como una “nova”.

Una “supernova” es un fenómeno muchísimo más violento y espectacular, que puede ser mil millones de veces más brillante que nuestro sol.

Las supernovas de tipo “I” ocurren cuando la enana blanca tiene una masa mucho mayor y su atracción gravitacional puede acumular gran cantidad de materia de su vecina, hasta tener una densidad de dos millones de kilogramos por centímetro cúbico. Entonces, la superficie de la estrella cae velozmente hacia su centro, comprimiéndose por su fuerza gravitacional; el carbono y el oxígeno de su núcleo comienzan una reacción de fusión descontrolada y ocurre la gigantesca explosión que forma los objetos más brillantes que conocemos en el universo. Para darnos una dea de la densidad necesaria para que una enana blanca estalle como supernova, un dado pequeño, de 1 centímero por lado, que tomáramos de ella pesaría lo que cuatro buques petroleros grandes llenos.

Las otras supernovas, las de “Tipo II”, son producto de un proceso distinto que ocurre en estrellas de una masa muy superior, desde 8 hasta 50 veces la de nuestro sol. Esta enorme masa impide que puedan convertirse en enanas blancas, y al irse agotando su combustible ocurren complejas reacciones en su interior formando distintas capas, como una cebolla, con un núcleo de hierro y las capas superiores formadas de elementos cada vez más ligeros, con fuerzas colosales que producen por fusión nuclear todos los elementos naturales conocidos, hasta que la estrella se colapsa y se produce la explosión.

Cuando una estrella ha estallado como supernova, deja como huella una nube de gas y, en el centro, un cuerpo extraordinariamente denso. Si tiene entre 1,4 y 3 veces la masa de nuestro sol, su núcleo se convierte en una “estrella de neutrones” supermasiva. Y si tiene más de 3 veces la masa del sol, se convertirá en un agujero negro.

No todas las estrellas se convierten en novas o supernovas, el ciclo vital de una estrella puede llevar a otros finales bastante menos espectaculares. Lo que nos han enseñado las supernovas es tan espectacular como su propio aspecto. Como ejemplo, el premio Nobel de física de este año se concedió a tres físicos que, estudiando 50 supernovas lejanas, demostraron que la expansión de nuestro universo es cada vez más rápida, lo que implica que hay una fuerza aún desconocida que impulsa esta expansión, una fuerza que llamamos “energía oscura”.

En nuestra galaxia no hemos visto una supernova desde la de 1604, que estalló a unos 13.000 millones de años luz y fue estudiada por Johannes Kepler. Muchos astrónomos desearían poder observar otra supernova tan cerca de nosotros y en condiciones claramente visibles. Con los delicados instrumentos que hoy están a nuestra disposición, podríamos aprender mucho más sobre el universo al estudiar estos cataclismos estelares. Tanto como aprendieron Tycho Brahe y Johannes Kepler.

La supernova de las supernovas La más brillante supernova registrada hasta hoy ha sido la que se observó el 4 de julio de 1054 y que se pudo ver de día durante 23 días, y después alrededor de dos años en la noche, y fue registrada por astrónomos chinos, japoneses, coreanos, árabes y, probablemente europeos. En 1942, los astrónomos Nicholas Mayalll y Jan Oort concluyeron, más allá de toda duda razonable, que la Nebulosa del Cangrejo situada en la constelación de Tauro no es sino los restos de la masiva explosión de la supernova de 1054.