Realizar una fusión artificial no es tan simple como una fisión nuclear. Lograr la fusión requiere de una serie de condiciones. En primer término, la tarea es más complicada cuanto más pesados sean los núcleos a fusionar. Además, hay que conseguir que los núcleos se acerquen muchísimo, venciendo la repulsión electrostática entre ellos; para conseguirlo, es necesario elevar la temperatura entre 100 y 300 millones de grados centígrados y luego mantenerla. De esta forma, los átomos pierden sus electrones y llevan la materia a un estado que se denomina plasma. Luego hay que disponer de un recipiente que pueda contener el plasma, es decir, que tolere tal temperatura. Pese a las dificultades prácticas, se han realizado proyectos para fusionar partículas formando Helio.
Es probable que surjan preguntas en cuanto a estos temas. Es buen momento para derribar muchos mitos y aclarar situaciones. Hay que dejar en claro que el proceso artificial es demasiado complejo. Entonces, ¿cómo puede darse esto en la naturaleza?
La energía del Sol que llega a la Tierra proviene de reacciones nucleares que en su centro ocurren. Especialmente, estas reacciones nucleares suceden en un ciclo, en el cual a partir de cuatro protones se obtiene un átomo de Helio4 + dos positrones + 2 neutrinos. Es decir,
Para explicar este proceso tan particular que ocurre en el interior del Sol, a temperaturas altísimas (cercanas a 10.000.000 °C), utilizaremos en este artículo una modelización mediante círculos de color rojo, azul, verde y amarillo, que representarán protones, neutrones, neutrinos y positrones, respectivamente. Es decir:
Ahora sí, el siguiente modelo representa cómo se obtiene la energía dentro de una estrella como nuestro Sol:
Ciclo protón protón
Analicemos la imagen. En principio, dos protones que se encuentren en el interior del Sol pueden fusionarse en una partícula formada por ambos, pero, a temperaturas tan altas como los millones de grados centígrados que existen en el núcleo de una estrella, ocurre un fenómeno sorprendente, que lleva el nombre de transmutación.
El siguiente video representa el ciclo protón-protón de forma dinámica:
Este fenómeno es el proceso por el cual uno de los protones que forman parte de la nueva partícula recién formada cambia, transmuta, en un neutrón. Esto, sin duda, parece increíble, sin embargo el proceso de transmutación trae sus consecuencias: la liberación de un positrón y un neutrino al espacio. La nueva partícula formada por un protón y un neutrón se llama deuterón.
A la par, otro deuterón puede formarse a partir de otros dos hidrógenos (protones), formándose un positrón y un neutrino. En la nueva etapa, otro protón fusiona con el deuterón, liberando rayos gamma (representados mediante el símbolo γ) al espacio y grandes cantidades de energía, formándose partículas de Helio-3 (3He). Ocurrirá lo mismo con el deuterón formado a la par, por lo que se obtiene, en total, dos partículas de Helio 3.
En la siguiente etapa, estas partículas de Helio 3 formadas se fusionarán. La partícula que debería formarse estaría formada por cuatro protones y dos neutrones, sin embargo, esta partícula es realmente muy inestable y no se mantienen los p+ y n unidos fácilmente, por lo que fisiona formando una partícula de Helio-4 y liberando, a la vez, dos protones.
Estos dos protones pueden volver a formar parte del ciclo, fusionándose y comenzando el proceso otra vez. Debido a que, como se observa en la imagen, se utilizan en total seis protones en el ciclo protón-protón y sólo se obtienen dos, en algún momento el combustible del Sol se acabará y quedará helio en mayor proporción. Esto hará que el Sol comience una nueva etapa en su vida, la de gigante roja. ¡Pero deben estar tranquilos! Al Sol le quedan aún unos 5000 millones de años más de vida para seguir fusionando hidrógeno.
Mesografía sugerida
¿Te gustan los videojuegos? ¿Conoces el juego “Portal” de la empresa de videojuegos Valve? Te recomendamos este video que ha realizado la empresa en colaboración con la NASA en donde se explica el ciclo protón-protón al explicar los procesos de fisión y fusión nuclear. ¡Es excelente!
¿Cómo hacen los científicos para darse cuenta de que nuestro Sol no vivirá para siempre, sino que, en 5 mil millones de años, éste se convertirá en una gran bola llamada Gigante aroja, que tomará las órbitas de Mercurio, Venus, la Tierra y, posiblemente, Marte?
La respuesta es sencilla: observar las demás estrellas, analizarlas, estudiar sus características, pues allí en el cielo se hayan las respuestas a las preguntas que nos hagamos.
Hay que dejar en claro que la evolución estelar (es decir, el pasado, presente y futuro de las estrellas), no se da en pocos miles de años, sino en cientos o millones de años. Por ejemplo, nuestro Sol tiene una vida media de unos 10.000 millones de años. Por el momento, se encuentra en su Secuencia Principal, un período en el que la estrella quema su combustible, el hidrógeno, mediante un proceso llamado Ciclo Protón Protón, en el cual a partir de 2 protones (H+) se obtiene 1 átomo de helio-4. Pero… Vayamos por parte para no marearnos.
En el centro, abajo, se representa el tamaño a escala de una estrella enana blanca en comparación al Sol (a la derecha). La estrella de la izquierda representa a IK Pegasi A, una estrella en Secuencia Principal, pero mayor en tamaño que nuestro astro rey.
Sabemos que en el universo, aunque presenta zonas casi vacías, encontramos mezclas de gases y polvo. Este material interestelar puede aglomerarse formando nebulosas que se mantienen unidas debido a la gravedad.
Tras esta acumulación de materia, la materia empieza a contraerse. La presión y los choques entre partículas hace que la materia comience a calentarse. Con el tiempo, la acumulación de materia emite cada vez más y más calor. Incluso, comienza a emitir luz. De esta manera, se forman las protoestrellas.
El futuro de estrellas como el Sol
A medida a que la presión y la temperatura aumentan cada vez más, se inician reacciones nucleares en la protoestrella. Ahora, nuestra protoestrella deja de contraerse para estabilizarse. Se ha formado una estrella y entra en su Secuencia Principal por millones de años. Cuando el combustible se agota, la estrella se enfría y se expande, formando una gigante roja.
Nuestro Sol se expandirá y perderá sus capas externas gradualmente en el espacio. El núcleo de esta estrella de tamaño intermedio se contraerá, reduciéndose a un tamaño similar al de la Tierra. ¡Imagínense lo denso que es eso! Toda la masa del Sol agrupada en el tamaño de nuestro planeta. A este cuerpo celeste se lo llama Enana Blanca. Las enanas blancas se enfriarán para formar una enana marrón.
El futuro de las estrellas con más masa que el Sol
Las estrellas que tienen mayor masa que el Sol son más masivas y tienen una vida más corta en comparación con nuestro astro rey. Estas estrellas queman su combustible mucho más rápido, lo que significa que agotan su hidrógeno y pasan a la siguiente etapa de evolución mucho más rápido.
A medida que una estrella masiva quema su combustible, la energía liberada por la fusión nuclear en su núcleo se vuelve más intensa, lo que hace que la estrella se expanda y se enfríe, convirtiéndose en una gigante roja. Cuando la estrella ha quemado todo su hidrógeno, comienza a quemar otros elementos, como el helio, el carbono y el oxígeno. Esto hace que la estrella se caliente y contraiga, convirtiéndose en una estrella de neutrones.
Las estrellas masivas también tienen una mayor probabilidad de explotar en una supernova. Una supernova es una explosión extremadamente violenta que ocurre cuando una estrella masiva ha agotado todo su combustible y su núcleo colapsa, lo que hace que la estrella libere una gran cantidad de energía en forma de luz y radiación.
Después de una supernova, la estrella masiva se convierte en una estrella de neutrones o en un agujero negro, dependiendo de su masa original. Una estrella de neutrones es un objeto extremadamente denso y compacto que tiene aproximadamente la masa del Sol, pero un diámetro de solo unos pocos kilómetros. Por otro lado, un agujero negro es un objeto aún más denso que una estrella de neutrones, en el cual la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de su interior.
En resumen, las estrellas masivas experimentan una vida más corta y explosiva en comparación con las estrellas de masa similar al Sol. Mientras que una estrella como el Sol se expandirá en una gigante roja y eventualmente se convertirá en una enana blanca, una estrella masiva puede explotar en una supernova y convertirse en una estrella de neutrones o en un agujero negro.
Desde el descubrimiento de Ceres, el primer asteroide en ser observado en los cielos (tiene un diámetro de 914 kilómetros), estos cuerpos celestes han sido un objeto de estudio muy interesante para la astronomía, una de las disciplinas de las Ciencias Naturales. Son pedazos de roca que orbitan alrededor alrededor del Sol. ¡Y los hay en millones! Pueden medir desde pocos metros de diámetro hasta cientos de kilómetros, representando una amenaza para la Tierra si es que nos cruzamos en su camino.
Suelen encontrarse, la mayoría, en un cinturón entre las órbitas de marte y Júpiter, llamado Cinturón de Asteroides. El mismo se formó probablemente al mismo tiempo que el resto del Sistema Solar. Los fragmentos de rocas y partículas de polvo en esta zona no pudieron unirse y formar un planeta debido a la fuerza gravitatoria de Júpiter. Si bien existen incontables asteroides en nuestro sistema solar, millones de ellos se encuentran en este cinturón.
A modo de curiosidad, te contamos que si se juntaran todos los asteroides de esta zona, la masa total sería sólo una pequeña porción de la masa de la Tierra. Por otro lado, podemos encontrar una gran cantidad de astroides en la órbita de Júpiter, los asteroides troyanos, que se mantienen en su posición gracias a la gran fuerza de gravedad existente en este planeta gigante. A los asteroides que se encuentran a distancias menores que la distancia que hay entre la Tierra y el sol, se los llama asteroides Aten.
Los asteroides más grandes son esféricos y se formaron de la misma manera que los planetas. Los más pequeños presentan forma irregular y son restos del material que formo el sistema solar, o bien producto de los choques entre dos o más grandes asteroides.
Los asteroides son cuerpos rocosos que orbitan alrededor del Sol a distancias inferiores a la de Neptuno, y la mayoría se encuentran entre las órbitas de Marte y Júpiter. Tienen características como:
Forma: Los asteroides no son redondos como los planetas, sino que tienen formas irregulares y dentadas. Algunos asteroides más grandes, como Palas, Vesta o Higía, tienen formas ligeramente redondeadas.
Tamaño: Los asteroides pueden tener cientos de kilómetros de diámetro, pero la mayoría son tan pequeños como los guijarros. El mayor asteroide conocido tiene 940 km de diámetro, mientras que el más pequeño apenas alcanza los 2 m.
Composición: Los asteroides están hechos de diferentes tipos de roca, pero algunos contienen arcilla o metal, como el níquel y el hierro. Las proporciones de estos componentes pueden variar según cada asteroide.
Superficie: Los asteroides tienen una temperatura muy baja en su superficie, normalmente alrededor de los -73 ºC. Además, tienen muchos cráteres debido a impactos.
Atmósfera: Los asteroides no tienen atmósfera, pero algunos poseen al menos un satélite.
Apariencia: Desde la superficie terrestre, los asteroides se ven como pequeños puntos de luz, como si fuesen estrellas.
Venus no tiene satélites naturales. Sin embargo, en el siglo XV se confundió al objeto llamado “2002 VE68” como uno. En realidad, este cuerpo es un asteroide que orbita hace 7000 años las cercanías del planeta hermano y se sabe que en 500 años será expulsado de su órbita actual. Era conocido con el nombre de Neith y en 2002 se lo identificó correctamente por lo que es. De hecho, 2002 VE68, la cuasiluna de Venus, llega a acercarse a la Tierra y a Mercurio.
Las lunas de Marte, dos asteroides capturados por el planeta rojo.
Otra característica típica de Marte es la presencia de dos satélites naturales: Fobos y Deimos[note]Fobos toma su nombre del griego Φóβoς, “miedo”; Deimos, por su parte, también proviene de un vocablo de la misma lengua: Δείμος, “terror”.[/note].
Fobos es el satélite más grande de Marte y el más cercano al planeta. Sus particularidades más sobresalientes son el hecho de que se encuentra muy cerca de Marte (a unos 6.000 km, es el satélite más cercano a su planeta en todo el Sistema Solar) y que tiene una porosidad significativa debido a que, lejos de ser considerado completamente sólido, tiene una muy baja densidad de 1,85 g/cm3.
De hecho, se sabe que Fobos colisionará contra Marte dentro de unos 50 a 100 millones de años debido a las fuerzas que el planeta rojo ejerce sobre él, fuerzas que también son responsables de que siempre se vea la misma cara del satélite desde un punto de vista marciano. Posee una masa de 1,072 x 1016 kg y un diámetro angular de 22,2 km. Por otro lado, Deimos es el más pequeño de los dos satélites. Tiene un radio orbital medio de 23.460 km un diámetro angular de 12,6 km. Se compone de roca con grandes proporciones de Carbono (C), y su superficie no presenta tantos cráteres como Fobos.
Ambos cuerpos pueden ser asteroides que fueron captados por la gravedad de Marte, tras ser sus órbitas afectadas por la inmensa gravedad del planeta más grande del sistema solar, Júpiter.
Clasificación de los Asteroides según Tipos Espectrales
El análisis de la luz reflejada por los asteroides es una herramienta fundamental para comprender sus composiciones superficiales. A través del estudio de los espectros de absorción de cientos de asteroides, los científicos han logrado clasificarlos en varios tipos espectrales, cada uno de los cuales brinda información clave sobre su naturaleza. Entre los principales tipos se encuentran los asteroides de tipo “S”, “C”, “M”, “V” y “D”. No obstante, es importante destacar que materiales distintos pueden presentar espectros de absorción similares. Estos espectros pueden verse influenciados por el estado de la superficie del asteroide, ya sea porosa o compacta, fragmentada o cubierta de polvo, y por la exposición prolongada a radiaciones solares y cósmicas. Los modelos de clasificación más utilizados son los de Tholen y SMASS.
Tipo Espectral S
Los asteroides de tipo S representan aproximadamente el 17 % de los asteroides conocidos. Con un albedo promedio de 0,14, estos asteroides contienen metales en su composición y están compuestos principalmente por silicio. Son predominantes en la parte interna del cinturón de asteroides. Su brillo relativo y su contenido metálico los hacen un objeto de estudio interesante para entender la diversidad de materiales en el sistema solar.
Tipo Espectral C
Constituyendo más de la mitad de los asteroides conocidos, los asteroides de tipo C tienen un albedo inferior a 0,04. Estos cuerpos celestes son extremadamente oscuros y similares a los meteoritos carbonáceos. Su alta concentración de carbono les confiere propiedades únicas y los hace fundamentales para estudiar la evolución química del sistema solar. La oscuridad de estos asteroides sugiere una composición primordial que ha cambiado poco desde la formación del sistema solar.
Tipo Espectral M
Los asteroides de tipo M son notablemente brillantes, con albedos que varían entre 0,10 y 0,18. Están compuestos principalmente por metales como níquel y hierro, lo que sugiere que podrían provenir del núcleo de asteroides diferenciados. La brillantez y composición metálica de estos asteroides los hace candidatos para estudios sobre la diferenciación planetaria y el proceso de formación de núcleos planetarios.
Tipo Espectral V
Conocidos como vestoides, estos asteroides presentan un espectro muy similar al de Vesta, el asteroide más grande en su tipo. Los vestoides comparten características orbitales con Vesta, como excentricidad e inclinación, y se encuentran en un rango del semieje mayor entre 2,18 y 2,5 unidades astronómicas, una región conocida como el hueco de Kirkwood 3:1. Esto sugiere que pueden haber tenido un origen común, probablemente debido a un gran impacto en Vesta. Son relativamente brillantes y contienen más piroxeno que los asteroides tipo S, además de estar relacionados con los meteoritos HED (howarditas, eucritas y diogenitas).
Tipo Espectral D
Los asteroides de tipo D poseen un albedo muy bajo, entre 0,02 y 0,05, y son característicamente rojos en longitudes de onda largas, posiblemente debido a la presencia de materiales ricos en carbono. Estos asteroides son raros en el cinturón principal y se encuentran más comúnmente a distancias mayores a 3,3 unidades astronómicas del Sol, en regiones cercanas a la resonancia 2:1 con Júpiter. Su baja reflectividad y composición rica en carbono sugieren que podrían contener materiales primitivos y sin alterar, ofreciendo una ventana al estado del material solar primitivo.
Conclusión
La clasificación espectral de los asteroides proporciona una ventana crucial para comprender la diversidad y evolución de estos cuerpos en el sistema solar. Cada tipo espectral revela información única sobre la composición y el origen de los asteroides, y la continua investigación en esta área sigue aportando valiosos conocimientos sobre la formación y evolución del sistema solar. Los modelos de Tholen y SMASS siguen siendo herramientas fundamentales para los astrónomos en la identificación y estudio de estos fascinantes objetos celestes.
Las ciencias naturales son aquellas ciencias experimentales que tienen como objetivo estudiar la naturaleza. Se basan en el método científico (aunque, hoy en día, esté en desuso), diferenciándose de las llamadas pseudociencias (“macanas” -en palabras de Mario Bunge– tales como la astrología).
Seguramente habrás tenido o tienes actualmente materias en la secundaria con nombres como “Física”, “Química” o “Biología“, todas relacionadas con las ciencias de la naturaleza. Lo que sucede, es que estas Cs. Naturales pueden subdividirse o subclasificarse en 5 grandes ramas o disciplinas. Veamos cada una de ellas.
1 Biología:
Esta imagen muestra el campo de estudio de la Biología.
¿Qué estudia la biología?
La biología es la ciencia que estudia la vida. Justamente, la palabra biología deriva de “bio” (vida) y “logos” (estudio). Es interesante debatir acerca de qué se considera vida. Te adelantamos que es muy complicado definir cuál es el límite entre lo que tiene vida (orgánico) y lo que no (inorgánico).
2 Física
Gracias a la Física, podemos divertirnos con las montañas rusas.
¿Qué estudia la física?
La física estudia la materia, la energía, el tiempo y el espacio, así como la interacción entre ellas.
Una ciencia increíble, pues intenta explicar todo en la naturaleza. Hagamos hincapié en esa palabra: todo. Las demás ciencias parecen necesitarla para explicarse. Pionera en la historia, es sin duda asombrosa. La palabra física proviene del latín physica que significa “natural”. ¿Pero que la diferencia de las demás, realmente?
3 Química
La química está presente en todos lados. ¡Incluso al encender un fósforo o cerillo!
¿Qué estudia la química?
La química estudia la composición, propiedades y estructura de la materia y su relación con la energía.
La química, esa ciencia apasionante que ha evolucionado desde los antiguos y enigmáticos procedimientos de la alquimia, se ha establecido como un campo fundamental en la comprensión del mundo material.
En los tiempos antiguos, los alquimistas, con una mezcla de misticismo y experimentación, buscaban transmutar los metales en oro y descubrir el elixir de la vida eterna. Aunque esos objetivos pudieran parecer inalcanzables y tergiversados por supersticiones, esos mismos alquimistas sentaron las bases para el desarrollo de la química moderna.
Durante el Renacimiento, la alquimia comenzó a transformarse en una indagación más empírica y sistemática de la naturaleza. Hoy en día, la química es una ciencia que abarca el estudio de la composición, estructura, propiedades y cambios de la materia.
La importancia de la química en la vida cotidiana es innegable; su presencia es palpable desde el agua que tratamos para beber hasta los combustibles que impulsan nuestros vehículos. Así, esta ciencia no solo nos permite comprender y aprovechar los recursos del planeta de manera eficiente, sino que también nos desafía a buscar soluciones sostenibles para la coexistencia armónica con nuestro entorno y la preservación de la vida en la Tierra.
4 Astronomía
La astronomía nos permite comprender el universo.
¿Qué estudia la astronomía?
La astronomía se dedica al estudio de los astros, sus movimientos y fenómenos ligados a ellos. Estos son los objetos de estudio de esta fabulosa ciencia. Astros como planetas, estrellas, galaxias o asteroides son el foco de atención de esta ciencia que mira al cielo.
Una delicia para los ojos. La astronomía es una de las disciplinas más antiguas.
5 Geología
Los grandes fenómenos meteorológicos son estudiados por la geología.
¿Qué estudia la geología?
También llamada “Ciencias de la Tierra”, la geología estudia la estructura y composición de nuestro planeta, así como los fenómenos o procesos que la moldean a través del tiempo. ¿Te gustan los volcanes, los terremotos, el clima o los océanos? Esta ciencia abarca ello y muchísimas otras disciplinas que nos dan comprensión de lo que sucedió, sucede y sucederá en la Tierra.
¡Anímate a clasificar fenómenos según la ciencia que los estudia!
Definan, realizando un cuadro, cada una de las disciplinas de las Cs. Naturales, indicando qué estudian y den algún ejemplo de lo que estudian dichas ramas de las Cs. Naturales que no aparezcan en el texto ni en actividades previas que hayas hecho con tu docente.
¿Qué disciplina de las Cs. Naturales estudia los siguientes fenómenos?
El asteroide 16 Psyche está valuado en 10.000 cuatrillones de dólares. El mismo, ubicado en el Cinturón de Asteroides entre Marte y Júpiter, está compuesto por una aleación de hierro y níquel, misma composición que el núcleo terrestre. De hecho, se piensa que este asteroide es el núcleo de algún planeta pasado que se fundió en algún momento. ▶
Tres modelos tridimensionales de 16-pysche, vistos desde diferentes ángulos.
Por su parte, la NASA tiene planeado enviar una nave no tripulada a 16 Psyche para investigarlo en el año 2022. Probablemente, este asteroide contenga un porcentaje de oro, cobalto, cobre y platino. En el hipotético caso de que estos minerales pudieran traerse a la Tierra, desvaloraría el precio de estos metales, desplomando la economía del planeta. Un verdadero caos económico.
Psique orbita a una distancia media de 2,923 ua de nuestro astro rey, el Sol, pudiendo acercarse hasta 2,524 ua y alejarse hasta 3,321 ua. Recordemos que \(1 ua=1,49\cdot 10^{11} m \). Tiene una excentricidad de 0,1364 y una inclinación orbital de 3,099°. Tarda 1825 días en completar una órbita alrededor del Sol.
Los asteroides
Orbitan el Sol: Estos pedazos de roca espacial vagan alrededor del Sol, a distancias menores que Neptuno. La mayoría se concentra entre Marte y Júpiter, formando un cinturón cósmico.
Formas irregulares: Olvídate de la perfección esférica de los planetas. Los asteroides poseen figuras irregulares y dentadas, como si fueran esculturas talladas por el tiempo y los impactos. Algunos más grandes, como Palas, Vesta o Higía, muestran una forma ligeramente redondeada.
Tamaños diversos: Su tamaño varía considerablemente. Algunos colosos alcanzan cientos de kilómetros de diámetro, mientras que otros son tan pequeños como guijarros. El más grande conocido, Ceres, mide 940 km, mientras que el más pequeño ronda apenas los 2 metros.
Composición: Estos cuerpos celestes están formados principalmente por diferentes tipos de roca. Sin embargo, algunos albergan sorpresas en su interior, como arcilla o metales como el níquel y el hierro. La proporción de estos elementos varía según cada asteroide.
Superficies frías: Imagina un frío glacial. La superficie de los asteroides suele rondar los -73 ºC, una temperatura que pondría a prueba a cualquier astronauta. Además, están marcados por cráteres, cicatrices de antiguos impactos cósmicos.
Sin atmósfera: A diferencia de la Tierra, los asteroides carecen de atmósfera. Sin embargo, algunos de estos vagabundos espaciales no están solos, ya que poseen al menos un satélite orbitando a su alrededor.
Puntos de luz desde la Tierra: Si pudieras observarlos desde la superficie terrestre, los verías como pequeños puntos de luz, parpadeando en la inmensidad del cielo nocturno, como si fuesen estrellas lejanas.
¿Por qué son importantes para la astronomía?: Los asteroides son cápsulas del tiempo que guardan secretos sobre la formación de nuestro sistema solar. Estudiarlos nos ayuda a comprender mejor nuestro pasado y quizás, incluso, a predecir el futuro.
▶ 16 Psyche orbita a una distancia media de unos 3 unidades astronómicas del Sol, en promedio. Tarda 1825 días en completar una órbita alrededor del Sol.
▶ Su nombre proviene de la ninfa Psyche, quien se casó con Cupido, pero murió a manos de Venus. Júpiter, sin embargo, hizo a Psyche inmortal por pedido de Cupido.
▶ Fue descubierto por el astrónomo italiano Annibale de Gasparis el 17 de marzo de 1852.
