miércoles, 30 de septiembre de 2015

Somos (literalmente) polvo de estrellas

Cuando el universo se formó hace casi 14 mil millones de años, que ya es decir mucho tiempo, sólo había energía, que se degradó poco después en partículas como los electrones y protones de los átomos.

Estas partículas libres se agruparon formando los átomos más simples, con un protón y un electrón, que viene a ser el átomo hidrógeno. El hidrógeno es el elemento más abundante del universo.

Esta gran nube de hidrógeno se fue agrupando por la gravedad hasta formar bolas de gas cada vez más grandes y densas. En el centro de estas bolas de gas la presión se fue incrementando hasta que se hizo irresistible para los átomos de hidrógeno, que comenzaron a fusionarse, encendiendo el gas y convirtiéndolo en una estrella. Eso es lo que hace básicamente nuestro sol, una nube de gas de hidrógeno y plasma de protones y electrones donde en su interior se fusionan los núcleos de hidrógeno en núcleos de helio. Y así fue durante mucho tiempo para esas primeras estrellas de nuestro universo.

Pero todo termina, y cuando el hidrógeno escasea y la reacción que la mantiene viva se apaga la estrella se vuelve a hundir bajo su peso de la gravedad, y eso consigue que los núcleos de helio e hídrógeno se fusionen a su vez entre sí para dar lugar a núcleos más pesados. Y así fueron generándose en el interior de aquellas estrellas el carbono, oxígeno, nitrógeno y resto de elementos.

Llegados a este punto es importante señalar un hecho fundamental. Si unimos dos núcleos "ligeros" como el hidrógeno o el helio (que eleva los globos de los niños) se generan elementos más pesados liberando energía. Eso se llama fusión. La fusión sólo funciona con los elementos más ligeros. Por eso existe la maldita bomba H, que fusiona Hidrógeno para formar Helio liberando una energía demoledora. Algo parecido, pero al contrario ocurre con los elementos más pesados. En estos casos la energía se libera si rompemos los núcleos, no si los unimos. A ese proceso se le llama fisión, y por eso las malditas bombas nucleares de uranio (un elemento 238 veces más grande que el hidrógeno) rompen el uranio en trozos más pequeños (rodio, paladio...) liberando energía destructora.

Por lo tanto tenemos esas nubes de hidrógeno que se comienzan a fusionar y a medida que se agotan se siguen fusionando y fusionando. Pero la fusión de elementos cada vez más pesados libera cada vez menos energía, y llega un momento en que no libera más, y nada puede mantener la estrella viva. Y entonces muere.

Ese punto de equilibrio donde no se libera energía ni uniendo núcleos ni rompiéndolos es el hierro. Así pues el material más famoso del medievo, de todas esas espadas y lanzas es el material hasta donde una estrella viva puede llegar.


Esta gráfica muestra la energía que se libera o se consume al movernos desde los elementos más ligeros a los más pesados. A la izquierda están los más ligeros (hidrógeno-H) y a la derecha los más pesados (uranio-U). Unir núcleos ligeros libera mucha energía, hasta llegar al hierro (Fe), donde hacer el núcleo más grande consume energía. Por eso el uranio libera energía al romperlo (fisión) y el hidrógeno libera energía al unirlo (fusión), Es fácil ver en el gráfico que la fusión del hidrógeno libera mucha más energía que la fisión del uranio. El día que consigamos dominar la energía de fusión, las centrales nucleares serán mucho más eficientes y limpias, y podremos olvidar el uranio y los residuos radiactivos. El residuo de la fusión del hidrógeno (helio) eleva los globos de los niños y sin embargo el residuo de la fisión del uranio deja bidones tóxicos radiactivos por miles de años.

Pero la muerte de una estrella es una muerte maravillosa, porque a medida que colapsa, la energía que la comprime calienta esos núcleos más ligeros que quedan y los sigue fusionando. Recordemos que esto ya no es rentable energéticamente, hay que invertir mucha energía para poder fusionar algo más allá de hierro. Y esa tremenda energía la da la muerte de la estrella, que explota en forma de supernova y eso permite seguir fusionando hasta los elementos más pesados como el cobre, la plata, el oro, uranio y otros elementos raros, todos ellos formados en el colapso final y explosión en forma de supernova. Son precisamente raros porque sólo se pueden formar en la muerte de la estrella, cuando colapsa en su estertor final, antes de explotar y esparcir su polvo por el universo.


https://en.wikipedia.org/wiki/Iron_peakEn esta gráfica se puede ver la abundancia en el sistema solar de los elementos. Efectivamente los elementos más pesados son menos frecuentes. El hierro destaca precisamente porque es ese punto de equilibrio donde las estrellas han dado ya todo lo que podían. (Ojo que la escala es logarítmica, aunque parece que el oxígeno y el hidrógeno aparecen en cantidades casi parecidas este último es mil veces más abundante).

Ese polvo tiene mucho hidrógeno aún, helio, carbono, nitrógeno, etc. y cada vez menos de los elementos más pesados como el hierro, plomo, oro, uranio, etc.

Y ese polvo de estrellas que queda disperso de la explosión de las primeras estrellas se vuelve a agrupar de nuevo por la gravedad, famosa por su tozudez. Y de esa reagrupación de polvo cósmico surgen nuevas estrellas más pequeñas como nuestro sol y pequeñas acumulaciones que giran en torno a él como nuestros planetas, donde habitan nuestros cuerpos. Así pues nuestro cuerpo está formado por material estelar, por polvo de estrellas. Quizá tú y yo venimos del polvo de la misma estrella o quizá seamos mezcla de varias.

El hidrógeno de nuestro cuerpo es originario de unos momentos después del big bang, el carbono, oxígeno y nitrógeno vienen de la etapa viva de una estrella. Y los anillos de plata y oro que vestimos son de la muerte de esa estrella.

En algún momento la formación de cada parte que nos compone brilló como un estrella en el firmamento. Esa estrella que nos generó ya desapareció, pero su luz (nuestra luz) sigue viajando por el universo, que es muy grande. Hay estrellas de nuestro cielo cuya luz viene de muy lejos y es por tanto luz vieja, de hace muchos millones de años. Quizá algunas de las luces que vemos por la noche ya no están ahí, y explotaron dando lugar a seres como nosotros. Y también ocurre algo similar al contrario. La luz que emitimos quizá ilumine otros mundos, donde sólo quizá haya seres preguntándose estas mismas cuestiones.

En este vídeo puedes ver una explicación muy resumida y amena de este proceso: https://www.youtube.com/watch?v=GdFlD3qrc0A

Formalmente los elementos se forman en al menos en tres procesos:
  1. Nucleosíntesis del Big Bang: donde se generó el Hidrógeno y algo de Helio, Litio y quizá algo de Berilio y Boro, los elementos más ligeros.
  2. Nuclosíntesis estelar: donde se generan elementos por fusión de elementos más ligeros hasta llegar al hierro.
  3. Nucleosíntesis por supernova: cuando la explosión de la estrella genera los elementos más pesados que el hierro.
Los gráficos están sacados de: https://en.wikipedia.org/wiki/Iron_peak

Por cierto, la frase "somos polvo de estrellas" se atribuye a Carl Sagan, gran divulgador científico.

viernes, 18 de septiembre de 2015

Los colores no son lo que parecen

El color es una propiedad asociada a la luz, en concreto a su longitud de onda. En un arco iris se pueden ver colores del rojo al violeta, asociados a longitudes de onda más largas y más cortas respectivamente.

Espectro visible.
Rango de longitudes de onda de la luz visible, desde las ondas más cortas (violeta) hasta las más largas (rojo). ¿Dónde está el rosa?

Hasta aquí todo normal. La peculiaridad de los colores viene cuando es observada por un ser humano. Nuestro ojo percibe los colores mediante unos sensores llamados conos ubicados en nuestra retina. Por las propiedades fisiológicas de estos sensores podemos observar colores puros, pero también colores compuestos que realmente no existen.

Por ejemplo, la pintura  azul y amarilla mezcladas se nos antoja de color verde. Pero realmente no hay color verde, sólo una mezcla de azul y amarillo. Si hiciésemos un análisis de la luz veríamos la longitud de onda del azul y al longitud de onda del amarillo, pero jamás la del verde. Y sin embargo nuestro ojo sólo "compone" ambos colores en uno inexistente.

Esta propiedad de nuestro ojo de ver colores como composición de otros no pasa con otros sentidos. Por ejemplo, el sonido no es capaz de construir sonidos compuestos. Un piano y un violín no sonarán a guitarra. Un cantante soprano y otro barítono no sonarán a tenor, suenan a dos voces cantando al unísono. Nuestro oído, cuando escucha dos sonidos simultáneamente reconoce cada uno de los sonidos, diferenciándolos. Pero nuestra vista cuando se mezclan dos colores no los puede separar y los interpreta como un nuevo color.

En esta ilustración no hay color verde, sólo la mezcla de bandas amarillas y azules. Nuestro ojo los mezcla y compone el verde, pero físicamente no hay ningún verde, y un extraterrestre o un robot capaz de ver los colores reales no encontraría el verde por ningún lado.

Paradójicamente, esta diferenciación de sonidos y mezcla de colores es justo al contrario de lo que las leyes de la física podrían predecir, ya que el sonido sí se solapa y llega a nuestro oído como una sola señal. Sin embargo la luz llega perfectamente diferenciada a nuestra retina. Son por tanto procesos fisiológicos los que consiguen mezclar los colores y distinguir los sonidos.

Si alguna vez llegara un extraterrestre o diseñáramos un robot que pudiera ver los colores puros, se llevaría una impresión muy diferente a la nuestra al ver nuestro mundo. Algunos colores de los cuadros los veríamos iguales, pero otros los veríamos totalmente diferentes. Un caso muy evidente es el de las televisiones o pantallas de ordenador. Las pantallas sólo tienen tres colores: rojo, verde y azul. El resto de colores que vemos realmente no existen, es nuestro ojo el que los inventa a partir de estos tres. Así pues nuestro E.T. no sería capaz de ver lo mismo que nosotros. El blanco y los grises tampoco existe, es una combinación de todos los colores a la vez en mayor o menor intensidad. Bajo el prisma de los colores puros el blanco es una orquesta sinfónica con todos los colores sonando a la vez.

Hay colores que vemos como fruto de la mezcla de otros, por ejemplo la luz rosa es la mezcla de luz azul y roja, algo que en el arcoiris no tiene ninguna existencia.
 
 
 Las mezclas de luz de colores son inversas a las mezclas de pinturas. En la luz los colores primarios son el azul, el verde y el rojo. En la pintura son los inversos, el azul, el amarillo y el magenta o rosa (que realmente es un color compuesto).

Podríamos ponernos de acuerdo y usar siempre colores puros, usando verdes puros en lugar de mezclas de amarillos y azul, para así ver todos lo mismo. Si hiciésemos esto tendríamos que reinventar las pantallas y olvidarnos del blanco... y del rosa!! El rosa no existe, es un color compuesto fruto de la ilusión de mezclar luz azul y rojo. Un extraterrestre que sólo viese colores puros no vería jamás ese color ya que de hecho no existe en el arcoiris.

Así pues, los colores no son para nada lo que parecen, y toda la teoría del color es algo que aplica solamente al ser humano. Nuestros museos pictóricos se verían completamente diferentes en ojos de seres de otros planetas.

Es importante que los robots que construimos puedan ver como nosotros, para poder entendernos. Afortunadamente, al igual que las pantallas de nuestros televisores, los sensores de las cámaras se diseñan para captar colores compuestos, de modo que pueden interpretar lo que significa el color rosa.

Fuentes de información: