¿De qué están hechas las estrellas?

Por F. Zapata

Siempre se nos ha dicho que las estrellas son enormes esferas de gas que brillan emitiendo ingentes cantidades de calor y energía. No hay manera de conseguir una muestra de lo que contienen para estudiarlo en el laboratorio, pero sí se puede analizar la luz que emiten, y en ella hay gran cantidad de información.

El Sol es la estrella más cercana y a comienzos del siglo XIX, el científico alemán Joseph Von Fraunhoffer (1787-1826), hábil fabricante de instrumentos ópticos, tomó la luz del Sol y halló en ella un patrón de líneas características. Cada una indica la presencia de un elemento distinto.

Figura 1. Concepción artística de la galaxia Cosmos Redshift7 o CR7, una de las galaxias más lejanas y brillantes que se conocen. Los científicos creen que alberga las míticas estrellas de la población estelar III, las primeras que se formaron después del Big bang. Fuente: Wikimedia Commons. De ESO/M. Kornmesser - http://www.eso.org/public/images/eso1524a/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41039280

Así por ejemplo, el elemento más abundante en el Sol es el hidrógeno, seguido del helio. En mucha menor proporción se encuentran oxígeno, carbono, neón, nitrógeno y hierro. Al menos es lo que sabemos al observar la capa más externa del Sol, ya que el espectro se forma cuando la luz atraviesa los gases que la forman.

Fraunhoffer también analizó la luz de otras estrellas como Sirio, hallando que su patrón de líneas, llamado espectro, difería del espectro solar.

En la actualidad es un hecho aceptado que la mayoría de las estrellas constan primordialmente de los elementos más livianos: hidrógeno y helio, descubrimiento que se debe a la astrónoma de Harvard Cecilia Payne.

La comunidad científica no siempre estuvo de acuerdo con esto, ya que las líneas del hidrógeno y el helio no siempre eran visibles o lo suficientemente intensas en el espectro de algunas estrellas. El helio, por ejemplo, solo es visible en estrellas sumamente calientes, aunque su presencia fue detectada primero en el Sol que en la Tierra.

Las estrellas también contienen trazas de elementos más pesados, como el calcio, que también sabemos que se encuentra en el Sol.

Figura 2. Espectro solar mostrando las líneas de Fraunhoffer, que representan la presencia de elementos como el sodio (el doblete D en el centro). Fuente: Wikimedia Commons.

¿Cómo es el interior de una estrella?

Una manera de explicar cómo funcionan las estrellas es modelándolas mediante capas. Los astrónomos suponen que las estrellas están compuestas de muchas capas concéntricas y cada una tiene ciertas condiciones de presión, temperatura, así como una determinada composición química y densidad.

Con frecuencia se compara el interior de la estrella con una cebolla, en donde dichas capas obedecen las siguientes condiciones:

-Se encuentran en equilibrio hidrostático, en el cual el peso de las capas equilibra la presión que tiende a expandir la estrella.

-La energía se transfiere desde las regiones calientes a las más frías, mediante los procesos de radiación, convección y conducción de calor.

-El principio de conservación de la masa es válido.

-La energía se conserva igualmente: la suma de las energías producidas en capa equivale a la energía total emitida por la estrella.

En la capa más interna, a una elevada temperatura, se encuentra el núcleo de la estrella, donde la fusiona hidrógeno en helio. Cuando aquella se termina, el helio así formado permanece en el núcleo y la estrella fusiona hidrógeno de otras partes de la estrella, creando una capa de fusión alrededor del núcleo inerte de helio.

Este proceso hace que la estrella se expanda y si es lo bastante masiva, puede llegar a fusionar elementos más pesados. Estos van quedando en capas sucesivas más profundas y las capas de elementos más ligeros se forman alrededor de éstas, como puede verse en la figura, que muestra la estructura interna de una estrella masiva a la que apenas le queda hidrógeno en la capa más externa.

El núcleo de esta estrella masiva a punto de colapsar es de hierro, pues solamente este tipo de estrellas puede fusionar elementos más pesados. Del Sol, una estrella más bien pequeña, solo se espera que fusione carbono.

Figura 3. Modelo de capas de una estrella masiva cercana al colpso final, ya que ha agotado sus reservas de material fusionable.

Las estrellas expelen parte de su masa a medida que evolucionan, algunas veces de forma violenta. Dependiendo de la masa inicial de la estrella, esta puede terminar su vida en una explosión de supernova, como la estrella de la figura.

Esta explosión contiene tal cantidad de energía que durante ella se forman elementos aún más pesados como oro, platino y uranio, que pronto pasarán a formar parte de la materia interestelar.

No se desperdicia nada, ya que con el tiempo, de todos estos escombros, por así decirlo, se formarán nuevas estrellas y sistemas planetarios que incorporan estos elementos creados por estrellas ya desaparecidas tiempo atrás.

Puesto que el Sol contiene elementos pesados, no es precisamente una estrella de primera generación, ya que durante el Big Bang se formaron los elementos más livianos, hidrógeno y helio, que dieron origen  a las primeras estrellas.

Los astrónomos creen que el Sol, que ahora se encuentra en la plenitud de su vida estelar, es más bien una estrella de tercera generación a causa de su contenido en elementos más pesados.

Estos elementos pasaron al Sol y a los planetas, como la Tierra, porque formaron parte de los restos que otras estrellas esparcieron durante sus etapas finales. Estos elementos se formaron en su interior en un proceso llamado nucleosíntesis estelar.

Poblaciones estelares

Pese al tiempo transcurrido desde la formación del universo, todavía quedan muchas estrellas formadas mayormente de hidrógeno, helio y trazas de litio, los primeros elementos creados después del Big Bang.

Tan solo a mediados del siglo XX fue que los astrónomos determinaron que todas las estrellas del universo, no solo de la Vía Láctea, sino de todas las galaxias conocidas,  se dividen en apenas dos grupos o poblaciones estelares: población I y población II.

Figura 4. La nebulosa de Orión es el lugar de formación de nuevas estrellas. Fuente: Pxfuel.

 

Hay que tener en cuenta que en Astronomía, hay también dos clases de elementos: no metales y metales. Los no metales son el hidrógeno y el helio y los metales son los demás elementos de la tabla periódica.

Pues bien, las estrellas de la población I contienen un mayor porcentaje de metales que las estrellas de la población II. Las primeras abundan en el disco galáctico y los brazos en espiral de la Vía Láctea, mientras que las segundas son más frecuentes en el halo, formadas en una etapa más temprana de la galaxia, pero no la más temprana de todas.

Esta etapa inicial  corresponde a estrellas de la hipotética población III, las primeras entre todas las estrellas formadas luego del Big Bang, de enorme tamaño pero vida efímera. De estas estrellas no se tenía evidencia contundente hasta ahora.

Al menos así lo cree un grupo de científicos portugueses y belgas que  encontraron la brillante y lejana galaxia Cosmos Redshift 7 o CR7 (figura 1). Muy lejana y por ello muy antigua, de acuerdo a estos astrónomos, sus estrellas son como se supone que debían ser esas primeras estrellas. Se trata de una galaxia tres veces más brillante que la galaxia más distante conocida hasta la fecha.

El Sol, por supuesto, es una estrella perteneciente a la población tipo I y se considera un subtipo intermedio, ya que hay estrellas con una mayor proporción de metales.

Si bien el porcentaje de metales en ambas poblaciones es pequeño, la diferencia es muy notable en el espectro, que como hemos dicho, es el patrón en forma de líneas o picos que forma la luz proveniente de las estrellas, a consecuencia de la presencia de determinados elementos químicos.

El proceso de formación de estrellas nuevas no se detiene, aunque según los astrónomos, se ha ralentizado, al menos en nuestra Vía Láctea, sin embargo las estrellas nuevas seguro tendrán un porcentaje de metales aún mayor que las estrellas actuales, si bien estos seguirán siendo escasos en el universo durante mucho tiempo.