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Nucleosíntesis estelar

La nucleosíntesis estelar es el conjunto de reacciones nucleares que tienen lugar en las estrellas y que son responsables de la creación de elementos químicos, algunos de ellos desde sus orígenes durante el Big Bang: como el hidrógeno, el helio y el litio. Este proceso forma parte de la evolución estelar y su cese al acabarse el combustible que desencadena las reacciones nucleares, deriva en el colapso gravitatorio de la estrella.[1]​ Para más información sobre otros procesos de síntesis de elementos ver nucleosíntesis.

Energía relativa liberada (ε) en escala logarítmica en los procesos de fusión protón-protón (PP), CNO y triple-α para diferentes temperaturas (T). La línea negra muestra la generación de energía en procesos combinados PP y CNO en las estrellas. Para la temperatura del núcleo solar, el proceso más eficiente es el PP.

La nucleosíntesis estelar, como teoría predictiva que es, reproduce de manera precisa la abundancia relativa  observada de los elementos, así como su variación con el tiempo y la abundancia de ciertos isótopos frente a otros. La teoría fue inicialmente propuesta por Fred Hoyle en 1946,[2]​ quien posteriormente la redefinió en 1954.[3]​ Hoyle también lideró un grupo de astrónomos experimentales y teóricos compuesto por él mismo, Margaret y Geoffrey Burbidge y William Alfred Fowler, quienes escribieron en 1957 el famoso paper [4]​ (conocido así por las iniciales de sus cuatro autores), en el cual se añadían a la nucleosíntesis procesos relacionados con la captura de neutrones. Este paper se convirtió en uno de los más citados a lo largo de la historia de la astrofísica.

Estos procesos empezaron a entenderse a principios del siglo XX, cuando quedó claro que solo las reacciones nucleares podrían explicar la gran longevidad de la fuente de calor y luz del Sol. Aproximadamente el 90 % de la energía producida por las estrellas vendrá de las reacciones de fusión del hidrógeno para convertirlo en helio.[5]​ Más del 6 % de la energía generada vendrá de la fusión del helio en carbono. Mientras que el resto de fases de combustión apenas si contribuirán de forma apreciable a la energía emitida por la estrella a lo largo de toda su vida.

Historia

En 1920, Arthur Eddington, basándose en las precisas mediciones de los átomos realizadas por F.W Aston, y en las sugerencias preliminares de Jean Perris, fue el primero en sugerir que las estrellas obtenían su energía a partir de la fusión nuclear del hidrógeno en helio, añadiendo la posibilidad de que elementos más pesados fueran a su vez creados en las estrellas. [6][7][8]​ Este fue un primer paso hacia la teoría de nucleosíntesis estelar. En 1928, George Gamow dedujo el llamado factor de Gamow, una fórmula mecánico-cuántica que da la probabilidad de encontrar a una temperatura determinada dos núcleos suficientemente próximos como para que puedan saltarse la barrera coulombiana y aproximarse tanto el uno al otro que pudiera efectuarse una reacción nuclear debido a la fuerza nuclear fuerte, la cual solo es efectiva a cortas distancias.[9]​ El factor de Gamow fue usado en esa década por el astrónomo inglés Atkinson y el físico austríaco Houtermans y más tarde por el propio Gamow y por Teller para calcular el ritmo con el que las reacciones nucleares se producían a las altas temperaturas existentes en los interiores estelares.

En 1939, en un artículo titulado "Energy Production in Stars" ( "Producción de energía en las estrellas" ) , el estadounidense Hans Bethe analizó las diferentes posibilidades para que se diera la fusión del hidrógeno a helio.[10]​ Seleccionó dos procesos que creyó debían ser la principal fuente de energía de las estrellas. El primero de ellos fueron las cadenas protón-protón, que son las reacciones dominantes en estrellas pequeñas con masas no mucho más grandes que la del Sol. El segundo proceso fue el ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno, también conocido como ciclo CNO, el cual fue también hallado independiente y simultáneamente por el alemán Carl Friedrich von Weizsäcker en 1938, este ciclo de reacciones es más importante en las estrellas masivas de la secuencia principal [11]​ y es igualmente equivalente a la fusión de cuatro protones para formar un núcleo de helio-4. Sin embargo, en ninguno de los dos papers se menciona la formación de núcleos más pesados. Esta teoría vino de la mano de Fred Hoyle en 1946, quien argumentó que una concentración de núcleos muy calientes podrían conformarse termodinámicamente como un núcleo de hierro [2]​. Su trabajo continuó, y en 1954 publicó un paper describiendo como en etapas avanzadas de fusión en el interior de estrellas masivas podrían sintetizarse elementos desde el carbón hasta el hierro.[3][12]

Más tarde, fueron añadidos importantes detalles a la teoría de Bethe. Por ejemplo, supuso un importante avance la publicación de un relevante artículo en 1957 por Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, Fowler y Hoyle, comunmente conocido como   ,[4]​ el cual se convirtió en uno de los más citados en toda la historia de la astrofísica. Este trabajo posterior recogió y refinó las investigaciones anteriores en un marco coherente que dio explicación a las diferentes abundancias de los elementos y aportó luz a los procesos de creación de núcleos más pesados que el hierro mediante el método de captura de neutrones.

Otras mejoras significativas llegaron de la mano de Alastair G. W. Cameron y Donald D. Clayton. Basándose en los avances de su predecesores, en 1957 Cameron introdujo los ordenadores para los cálculos dependientes del tiempo en la evolución de sistemas nucleares. Por otra parte, Clayton calculó los primeros modelos dependientes del tiempo en un proceso s en 1961 [13]​  y en un proceso r en 1965 [14]​ , así como la quema de silicio para la formación del núcleo de partículas alfa y en el grupo del hierro en 1968. [15][16]​ Clayton también descubrió la cronología radiogénica [17]​ para determinar la edad de los elementos.

Reacciones importantes

 
Versión de la tabla periódica en la cual se indica el origen -incluyendo la nucleosíntesis estelar- de los elementos.

Las reacciones más importantes en la nucleosíntesis estelar son:

 
Cadena protón-protón
 
ciclo CNO, el núcleo de Helio se libera en el paso de arriba a la izquierda

Fusión del hidrógeno

La fusión del hidrógeno (fusión nuclear de 4 protones para formar un núcleo de helio-4 [18]​​ ) es el proceso que domina la generación de energía en los núcleos de las estrellas de la secuencia principal. También se conoce como “quema de hidrógeno”, lo cual no debe confundirse con la reacción química de combustión de hidrógeno en presencia de oxígeno. Existen principalmente dos procesos por los que se lleva a cabo la fusión del hidrógeno: cadena protón-protón y el ciclo de carbón-nitrógeno-oxígeno (ciclo CNO). El 90% de las estrellas, a excepción de las enanas blancas, experimentan estos dos procesos para la fusión del hidrogeno.

En los núcleos de estrellas menos masivas de la secuencia principal, como el Sol, la producción de energía se lleva a cabo principalmente mediante la reacción de cadena protón-protón. En ella se genera un núcleo de helio-4 a través de una secuencia de reacciones que comienzan con la fusión de dos protones, dando lugar a un núcleo de deuterio (conformado por un protón y un neutrón) y liberando en dicho proceso un positrón y un neutrino. A lo largo del ciclo completo de la cadena protón-protón se generan en torno a 26.2 MeV.[19]​ La cadena protón-protón es es relativamente insensible a variaciones de temperatura en el rango de temperaturas de 10^7 K [19]​​. Una variación de un 10% en la temperatura produce un cambio en la producción de energía de un 46%, aproximadamente. Para estrellas con una masa superior al 35% de la masa solar,[20]​​  el flujo de energía hacia el exterior es suficientemente bajo como para que la energía transferida por radiación domine sobre la energía transferida por convección. [21]​​. Como resultado, la mezcla de hidrógenos frescos que entran al núcleo o de productos de la fusión que se expulsan hacia el exterior es muy baja.

En estrellas más masivas, el proceso dominante de la producción de energía es el ciclo CNO, un ciclo catalítico en el cual se utilizan núcleos de carbono, nitrógeno y oxígeno como intermediarios en la producción de núcleos de helio[19]​​. En un ciclo CNO completo se liberan 25.0 MeV. La diferencia en la producción de energía de este método comparado con la cadena protón protón, se debe a la energía perdida en la emisión de neutrinos[19]​. El ciclo CNO, en cambio, es muy sensible ante variaciones de temperatura. Una variación de un 10% de la temperatura produce un cambio en la producción de energía de un 350%. El ciclo CNO se encuentra fuertemente concentrado en el núcleo de la estrella, siendo un 90% de los ciclos producido en el 15% de la masa de la estrella.[22]​ ​ Esto genera un flujo hacia el exterior tan intenso que la energía transferida por convección gana importancia frente a la energía transferida por radiación. Como resultado, la región del núcleo se convierte en una zona de convección que remueve la zona de fusión de hidrógeno y la mantiene bien entremezclada con el entorno más rico en protones .[23]​ Este núcleo convectivo se encuentra en estrellas en las cuales el ciclo CNO contribuye a la producción total de energía con más de un 20%. A medida que la edad de la estrella y la temperatura del núcleo aumentan, la región ocupada por la zona de convección disminuye desde el 20 % de la masa hasta el 8% de la masa en el interior de la estrella.[22]​ ​ Nuestro Sol obtiene solo un 1% de su energía a través de este ciclo.[24]​ El tipo de mecanismo de fusión del hidrógeno que domina en una estrella viene determinado por la dependencia en la diferencia de temperatura entre ambas reacciones. La cadena protón-protón empieza a temperaturas en torno a 4×106 K,[25]​ ​ siendo por lo tanto el proceso de fusión dominante en las estrellas pequeñas. Un ciclo CNO que se automantenga requiere de temperaturas más altas, del orden de 16x10^6K, pero a partir de esas temperaturas su eficiencia se incrementa rápidamente a medida que ésta crece, al igual que la de la cadena protón-protón.[26]​ Por encima de temperaturas de unos 17×106 K, el ciclo CNO se convierte en la fuente principal de energía. Esta temperatura se alcanza para estrellas 1.3 veces más masivas que el Sol.[27]​ ​ El Sol, de hecho, tiene una núcleo a una temperatura en torno a los 15.7×106 K.[28]​ ​ Como estrella de la secuencia principal, a medida que envejezca, la temperatura de su núcleo aumentara, y con ella el ciclo CNO aumentará su contribución en la producción de energía.[22]

Fusión del helio

Las estrellas de la secuencia principal acumulan el helio en sus núcleos debido a la fusión de hidrógeno, pero el núcleo no se encuentra lo suficientemente caliente como para proceder a su fusión. La fusión del helio comienza a medida que la estrella abandona la rama de gigantes rojas, tras acumular el suficiente helio en su núcleo como para quemarlo. En estrellas con masa similar a la del Sol, comienza en el extremo de la rama de gigantes rojas con un flash de helio provocado por el núcleo de helio degenerado. La estrella se mueve a la rama horizontal, donde comienza a quemar helio en su núcleo. Por otra parte, las estrellas más masivas fusionan helio en sus núcleos sin un flash de éste, y realizan en cambio un bucle azul antes de alcanzar la rama asintótica gigante. Una consecuencia importante de las estrellas que sufren este bucle azul es que dan lugar a las clásicas estrellas Cefeidas variables, de gran importancia a la hora de determinar distancias dentro de la Via Láctea y de galaxias cercanas. [29]​​ Estas estrellas fusionan helio hasta que el núcleo queda reducido a carbono y oxigeno prácticamente. La mayor parte de las estrellas masivas se convierten en supergigantes cuando abandonan la secuencia principal y comienzan a fusionar helio rápidamente según se van convirtiendo en supergigantes rojas. Una vez el helio se ha consumido en el núcleo, continuará en una corteza en torno al núcleo de carbono y oxígeno. [18][21]

Independientemente del caso, el helio se fusiona en carbono por la vía del proceso triple-alfa, es decir, tres núcleos de helio se transforman en carbono vía 8Be.[30]​  Esto puede posteriormente producir oxígeno, neón y elementos más pesados vía proceso alfa. De esta forma, los procesos alfa producen preferencialmente elementos con número par de protones debido a la captura de núcleos de helio. Los elementos con número impar de protones se forman mediante diferentes caminos de fusión.

Quema de metales

 
El pico del hierro marca el final de la vida de las estrellas. Como se ve en el diagrama el rendimiento a cada nueva etapa de fusión disminuye rápidamente. Llegados al hierro ese rendimiento es negativo y las reacciones de fusión se detienen.

Si al agotarse el helio en el núcleo de la estrella, la masa de la estrella es lo suficientemente grande, el núcleo será capaz de comprimirse y calentarse lo suficiente como para emprender la fase siguiente de fusión del carbono. Habrá pues dos nuevas capas de fusión, una de helio y otra de hidrógeno encima de esta. Tal y como ocurría en la transformación a supergigante roja, ahora la presión ejercida por esas nuevas capas hará que la cubierta externa de la estrella se expanda otra vez. Las masas mínimas para estos procesos no están bien determinadas, ya que se desconocen bastante los ritmos de reacción, las secciones eficaces y los ritmos de expulsión de masa por viento solar de las estrellas más masivas. El inicio de las reacciones del carbono se sitúan indicativamente en un mínimo de 8 masas solares, pero podría producirse a menores masas. Se puede asegurar que con esa masa se llega a quemar el carbono, pero el mínimo real quizá estuviese entre 4 y 8. Por lo que respecta a los demás ciclos aquí los datos son todavía más inciertos aunque se puede afirmar que una estrella de más de 12 veces la masa del Sol debería pasar por todas las fases de combustión posible hasta llegar al hierro. A medida que se suman fases de combustión se añaden más capas de fusión formando una especie de núcleo con estructura de cebolla. Deberían producirse cambios a cada fase, pero la del carbono es la última que dura un tiempo significativo por lo que las demás etapas de combustión no cambian excesivamente la constitución de la estrella porque ocurren tan rápido que no da tiempo a la estrella a adaptarse a cada nueva situación. Así, la etapa de supergigante roja es, realmente, la última transformación significativa, tras ella, y en posteriores fases de combustión, la estrella se volverá cada vez más inestable convirtiéndose, muy probablemente, en una variable antes de su destino final como objeto compacto.

Combustión del carbono ( > 8 MSol )

 

Terminada la fusión del helio el núcleo vuelve a comprimirse y a elevar su temperatura. De los tres elementos que mayoritariamente componen el núcleo en este estadio, carbono y oxígeno en un 90% más un poco de neón, es el carbono el que tiene la temperatura de fusión más baja, unos 500 millones de grados (> 5×108 K o 50 keV). Llegados a esta temperatura y a una densidad de unos (> 3×109 kg/m³),[31]​ los átomos de carbono empiezan a reaccionar entre sí dando lugar diversos elementos más pesados a través de una serie de canales de salida distintos. La duración de esta etapa será del orden de unos cientos de años pudiendo llegar a los 1000 años. Las reacciones más probables son las que salen recuadradas en el diagrama. La del sodio-23 tiene un 56 % de ocurrencia y la del neón-20 un 44 %. Los protones y las partículas alfa emitidas en sendas reacciones serán rápidamente recapturados por el carbono, el oxígeno, el neón y el propio sodio. Estas reabsorciones apenas si tienen efectos energéticos significativos pero en cuanto a la nucleosíntesis sí lo son ya que harán que el sodio no esté presente entre los elementos residuales de la combustión del carbono. Por lo que respecta al oxígeno, si bien se forma bastante poco se suma al que ya se había formado durante el proceso triple alfa. Todo esto hará que quede un núcleo de oxígeno-16, neón-20, magnesio-24 y algunas trazas de silicio-28. La composición de las cenizas de esta etapa es fundamentalmente la siguiente:

Fracciones de masa:  

Fotodesintegración del neón

Terminado el carbono del núcleo central este vuelve a contraerse hasta llegar a la temperatura de 1,2·109 K, momento en el cual vuelve a detenerse el colapso durante unos pocos años, una década a lo sumo. A esas temperaturas los fotones radiados por el centro del núcleo son tan energéticos que logran fotodesintegrar el neón-20. Este proceso aunque es endotérmico (consume energía) consigue que de sus subproductos se derive otra reacción que sí es exotérmica. El balance global de ambos procesos es positivo y el resultado es que la estrella logra sostenerse mientras quede neón por fotodesintegrar en el núcleo.

 
 

Como se ve en las reacciones adjuntas, las cenizas de esta fase serán las mismas que en la anterior menos el neón que se habrá consumido. Se incrementará la cantidad de oxígeno y magnesio a la vez que siguen creándose nuevas capas de fusión. Ahora, aparte del núcleo de combustión de neón hay una capa de carbono, otra de helio y una de hidrógeno. Los vientos solares son ya muy intensos y desprenden grandes cantidades del hidrógeno más externo poco ligado ya a la estrella.

Combustión del oxígeno

 

Finalizada la etapa del neón el núcleo de la estrella se vuelve a calentar y contraer hasta 1,5 a 2·109 K y 107 g/cm³ temperatura y densidad a partir de las cuales se alcanza la ignición del oxígeno. La reacción de fusión nuclear del oxígeno produce diversos canales de salida, unos más probables que otros, del mismo modo que ocurría en la fusión del carbono. La etapa dura unos pocos meses, quizá un año, y sus cenizas son sobre todo silicio-28 acompañado de silicio-30, azufre-34, calcio-42 y titanio-46. Muchos de estos elementos son subproductos de las reacciones con protones, neutrones o alfas recapturados. Las tres reacciones más probables son las que están recuadradas. Resultará azufre-31 un 18 % de las veces fósforo-31 un 61 % y silicio-28 un 21 %.

 
Capas de combustión en una estrella agonizante en sus últimos momentos antes del colapso final.


Fotodesintegración y combustión del silicio

Cuando el núcleo alcanza los 2,7·109 K y 3·107 g/cm³ se procede a la incineración del silicio en un conjunto de complejas reacciones que sostendrán por poco más de un día a la estrella. Una parte del silicio-28 recibe el impacto de fotones ultraenergéticos que lo rompen en otros isótopos como silicio-27 o magnesio-24. En el proceso se reemiten gran cantidad de protones, neutrones y alfas que enseguida son recapturados cada vez por átomos más pesados en una aproximación asintótica hacia el pico del hierro. Asimismo, el silicio también alcanza temperaturas de fusión que lo llevan a formar níquel-56 que posteriormente se degrada hasta el hierro-56, elemento final a partir del cual la fusión nuclear deja de ser una reacción rentable y exotérmica, alcanzándose finalmente el equilibrio estadístico nuclear (Fe56+Ni56). Llegados a este punto la ya muy convulsa estrella no podrá sostenerse más por sí misma.

 

 

 

Ratio de reacción

La densidad de ratio de reacción entre dos especies A y B, las cuales tienen densidades nA,B  viene dado por:

 

Donde k es la constante del ratio de reacción de cada par de elementos involucrados en el proceso de fusión nuclear:

 

Donde σ(v) es la sección eficaz para una velocidad relativa v y el promedio se realiza sobre todas las velocidades.

De forma semiclásica, la sección eficaz es proporcional a  , donde   es la longitud de onda de de Broglie. Por lo tanto, la sección eficaz semiclásica es proporcional a  .

Sin embargo, como la sección eficaz incluye una probabilidad de túnel cuántico, hay un factor de amortiguamiento exponencial para bajas energías que depende del factor de Gamow  , dando lugar a una ecuación de Arrhenius:

 

Donde S(E) depende de detalles concernientes a la respectiva interacción nuclear, y tiene la dimensión de una energía multiplicada por una sección eficaz.

Una vez integrado sobre todas las energías para obtener el ratio total de interacción, utilizando la distribución de Maxwell-Boltzmann y la relación:

 

donde   es la masa reducida.

Como la integral tiene un término de amortiguamiento exponencial para altas energías de la forma   y para bajas enrgías con el factor de Gamow, podemos considerar la integral sólo en torno al pico, el conocido como pico de Gamow:[32]

 

Por lo tanto_

 

El exponente se puede aproximar en torno a   como:

 

Y el ratio de reacción queda aproximadamente como: [33]

 

Los valores de   son típicamente de 10−3 – 103 keV·b, pero están amortiguados por un factor enorme cuando se tiene en cuenta un decaimiento beta, debido a la relación entre la semivida del estado ligado intermediario y la semivida del decaimiento beta, como en la cadena de reacción protón-protón. Notar que las temperaturas típicas de un núcleo de estrellas pertenecientes a la secuencia principal dan un valor de kT del orden de keV. [34]

De esta forma, la reacción límite en un ciclo CNO, con captura de protón del  , tiene S(E0) ~ S(0) = 3.5 keV·b, mientras que la reacción límite de una cadena protón-protón, donde se crea deuterio utilizando dos protones, tiene un S(E0) ~ S(0) = 4×10−22 keV·b,[35][36]​ mucho más bajo. De hecho, dado que las reacciones de formación que se encuentran dentro del núcleo de las estrellas tienen un factor de Gamow mucho mayor, y debido a la abundancia relativa de elementos en estrellas típicas, los dos ratios de reacción son iguales en el rango de temperaturas del núcleo de las estrellas de la secuencia principal.

Referencias

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nucleosíntesis, estelar, este, artículo, sección, tiene, referencias, pero, necesita, más, para, complementar, verificabilidad, este, aviso, puesto, julio, 2020, nucleosíntesis, estelar, conjunto, reacciones, nucleares, tienen, lugar, estrellas, responsables, . Este articulo o seccion tiene referencias pero necesita mas para complementar su verificabilidad Este aviso fue puesto el 21 de julio de 2020 La nucleosintesis estelar es el conjunto de reacciones nucleares que tienen lugar en las estrellas y que son responsables de la creacion de elementos quimicos algunos de ellos desde sus origenes durante el Big Bang como el hidrogeno el helio y el litio Este proceso forma parte de la evolucion estelar y su cese al acabarse el combustible que desencadena las reacciones nucleares deriva en el colapso gravitatorio de la estrella 1 Para mas informacion sobre otros procesos de sintesis de elementos ver nucleosintesis Energia relativa liberada e en escala logaritmica en los procesos de fusion proton proton PP CNO y triple a para diferentes temperaturas T La linea negra muestra la generacion de energia en procesos combinados PP y CNO en las estrellas Para la temperatura del nucleo solar el proceso mas eficiente es el PP La nucleosintesis estelar como teoria predictiva que es reproduce de manera precisa la abundancia relativa observada de los elementos asi como su variacion con el tiempo y la abundancia de ciertos isotopos frente a otros La teoria fue inicialmente propuesta por Fred Hoyle en 1946 2 quien posteriormente la redefinio en 1954 3 Hoyle tambien lidero un grupo de astronomos experimentales y teoricos compuesto por el mismo Margaret y Geoffrey Burbidge y William Alfred Fowler quienes escribieron en 1957 el famoso paper B 2 F H textstyle B 2 FH 4 conocido asi por las iniciales de sus cuatro autores en el cual se anadian a la nucleosintesis procesos relacionados con la captura de neutrones Este paper se convirtio en uno de los mas citados a lo largo de la historia de la astrofisica Estos procesos empezaron a entenderse a principios del siglo XX cuando quedo claro que solo las reacciones nucleares podrian explicar la gran longevidad de la fuente de calor y luz del Sol Aproximadamente el 90 de la energia producida por las estrellas vendra de las reacciones de fusion del hidrogeno para convertirlo en helio 5 Mas del 6 de la energia generada vendra de la fusion del helio en carbono Mientras que el resto de fases de combustion apenas si contribuiran de forma apreciable a la energia emitida por la estrella a lo largo de toda su vida Indice 1 Historia 2 Reacciones importantes 3 Fusion del hidrogeno 4 Fusion del helio 5 Quema de metales 5 1 Combustion del carbono gt 8 MSol 5 2 Fotodesintegracion del neon 5 3 Combustion del oxigeno 5 4 Fotodesintegracion y combustion del silicio 6 Ratio de reaccion 7 ReferenciasHistoria EditarEn 1920 Arthur Eddington basandose en las precisas mediciones de los atomos realizadas por F W Aston y en las sugerencias preliminares de Jean Perris fue el primero en sugerir que las estrellas obtenian su energia a partir de la fusion nuclear del hidrogeno en helio anadiendo la posibilidad de que elementos mas pesados fueran a su vez creados en las estrellas 6 7 8 Este fue un primer paso hacia la teoria de nucleosintesis estelar En 1928 George Gamow dedujo el llamado factor de Gamow una formula mecanico cuantica que da la probabilidad de encontrar a una temperatura determinada dos nucleos suficientemente proximos como para que puedan saltarse la barrera coulombiana y aproximarse tanto el uno al otro que pudiera efectuarse una reaccion nuclear debido a la fuerza nuclear fuerte la cual solo es efectiva a cortas distancias 9 El factor de Gamow fue usado en esa decada por el astronomo ingles Atkinson y el fisico austriaco Houtermans y mas tarde por el propio Gamow y por Teller para calcular el ritmo con el que las reacciones nucleares se producian a las altas temperaturas existentes en los interiores estelares En 1939 en un articulo titulado Energy Production in Stars Produccion de energia en las estrellas el estadounidense Hans Bethe analizo las diferentes posibilidades para que se diera la fusion del hidrogeno a helio 10 Selecciono dos procesos que creyo debian ser la principal fuente de energia de las estrellas El primero de ellos fueron las cadenas proton proton que son las reacciones dominantes en estrellas pequenas con masas no mucho mas grandes que la del Sol El segundo proceso fue el ciclo carbono nitrogeno oxigeno tambien conocido como ciclo CNO el cual fue tambien hallado independiente y simultaneamente por el aleman Carl Friedrich von Weizsacker en 1938 este ciclo de reacciones es mas importante en las estrellas masivas de la secuencia principal 11 y es igualmente equivalente a la fusion de cuatro protones para formar un nucleo de helio 4 Sin embargo en ninguno de los dos papers se menciona la formacion de nucleos mas pesados Esta teoria vino de la mano de Fred Hoyle en 1946 quien argumento que una concentracion de nucleos muy calientes podrian conformarse termodinamicamente como un nucleo de hierro 2 Su trabajo continuo y en 1954 publico un paper describiendo como en etapas avanzadas de fusion en el interior de estrellas masivas podrian sintetizarse elementos desde el carbon hasta el hierro 3 12 Mas tarde fueron anadidos importantes detalles a la teoria de Bethe Por ejemplo supuso un importante avance la publicacion de un relevante articulo en 1957 por Margaret Burbidge Geoffrey Burbidge Fowler y Hoyle comunmente conocido como B 2 F H displaystyle B 2 FH 4 el cual se convirtio en uno de los mas citados en toda la historia de la astrofisica Este trabajo posterior recogio y refino las investigaciones anteriores en un marco coherente que dio explicacion a las diferentes abundancias de los elementos y aporto luz a los procesos de creacion de nucleos mas pesados que el hierro mediante el metodo de captura de neutrones Otras mejoras significativas llegaron de la mano de Alastair G W Cameron y Donald D Clayton Basandose en los avances de su predecesores en 1957 Cameron introdujo los ordenadores para los calculos dependientes del tiempo en la evolucion de sistemas nucleares Por otra parte Clayton calculo los primeros modelos dependientes del tiempo en un proceso s en 1961 13 y en un proceso r en 1965 14 asi como la quema de silicio para la formacion del nucleo de particulas alfa y en el grupo del hierro en 1968 15 16 Clayton tambien descubrio la cronologia radiogenica 17 para determinar la edad de los elementos Reacciones importantes Editar Version de la tabla periodica en la cual se indica el origen incluyendo la nucleosintesis estelar de los elementos Las reacciones mas importantes en la nucleosintesis estelar son Fusion del hidrogeno La cadena proton proton El ciclo CNO Fusion del deuterio Fusion del helio El proceso triple alfa El proceso alfa Quema de metales Proceso de combustion del carbono Proceso de combustion del oxigeno Proceso de combustion del neon Proceso de combustion del silicio Produccion de elementos mas pesados que el hierro Captura de neutrones El proceso s El proceso r Captura de protones proceso rp proceso p Fotodesintegracion Cadena proton proton ciclo CNO el nucleo de Helio se libera en el paso de arriba a la izquierdaFusion del hidrogeno EditarArticulos principales Cadena proton protony Ciclo CNO La fusion del hidrogeno fusion nuclear de 4 protones para formar un nucleo de helio 4 18 es el proceso que domina la generacion de energia en los nucleos de las estrellas de la secuencia principal Tambien se conoce como quema de hidrogeno lo cual no debe confundirse con la reaccion quimica de combustion de hidrogeno en presencia de oxigeno Existen principalmente dos procesos por los que se lleva a cabo la fusion del hidrogeno cadena proton proton y el ciclo de carbon nitrogeno oxigeno ciclo CNO El 90 de las estrellas a excepcion de las enanas blancas experimentan estos dos procesos para la fusion del hidrogeno En los nucleos de estrellas menos masivas de la secuencia principal como el Sol la produccion de energia se lleva a cabo principalmente mediante la reaccion de cadena proton proton En ella se genera un nucleo de helio 4 a traves de una secuencia de reacciones que comienzan con la fusion de dos protones dando lugar a un nucleo de deuterio conformado por un proton y un neutron y liberando en dicho proceso un positron y un neutrino A lo largo del ciclo completo de la cadena proton proton se generan en torno a 26 2 MeV 19 La cadena proton proton es es relativamente insensible a variaciones de temperatura en el rango de temperaturas de 10 7 K 19 Una variacion de un 10 en la temperatura produce un cambio en la produccion de energia de un 46 aproximadamente Para estrellas con una masa superior al 35 de la masa solar 20 el flujo de energia hacia el exterior es suficientemente bajo como para que la energia transferida por radiacion domine sobre la energia transferida por conveccion 21 Como resultado la mezcla de hidrogenos frescos que entran al nucleo o de productos de la fusion que se expulsan hacia el exterior es muy baja En estrellas mas masivas el proceso dominante de la produccion de energia es el ciclo CNO un ciclo catalitico en el cual se utilizan nucleos de carbono nitrogeno y oxigeno como intermediarios en la produccion de nucleos de helio 19 En un ciclo CNO completo se liberan 25 0 MeV La diferencia en la produccion de energia de este metodo comparado con la cadena proton proton se debe a la energia perdida en la emision de neutrinos 19 El ciclo CNO en cambio es muy sensible ante variaciones de temperatura Una variacion de un 10 de la temperatura produce un cambio en la produccion de energia de un 350 El ciclo CNO se encuentra fuertemente concentrado en el nucleo de la estrella siendo un 90 de los ciclos producido en el 15 de la masa de la estrella 22 Esto genera un flujo hacia el exterior tan intenso que la energia transferida por conveccion gana importancia frente a la energia transferida por radiacion Como resultado la region del nucleo se convierte en una zona de conveccion que remueve la zona de fusion de hidrogeno y la mantiene bien entremezclada con el entorno mas rico en protones 23 Este nucleo convectivo se encuentra en estrellas en las cuales el ciclo CNO contribuye a la produccion total de energia con mas de un 20 A medida que la edad de la estrella y la temperatura del nucleo aumentan la region ocupada por la zona de conveccion disminuye desde el 20 de la masa hasta el 8 de la masa en el interior de la estrella 22 Nuestro Sol obtiene solo un 1 de su energia a traves de este ciclo 24 El tipo de mecanismo de fusion del hidrogeno que domina en una estrella viene determinado por la dependencia en la diferencia de temperatura entre ambas reacciones La cadena proton proton empieza a temperaturas en torno a 4 106 K 25 siendo por lo tanto el proceso de fusion dominante en las estrellas pequenas Un ciclo CNO que se automantenga requiere de temperaturas mas altas del orden de 16x10 6K pero a partir de esas temperaturas su eficiencia se incrementa rapidamente a medida que esta crece al igual que la de la cadena proton proton 26 Por encima de temperaturas de unos 17 106 K el ciclo CNO se convierte en la fuente principal de energia Esta temperatura se alcanza para estrellas 1 3 veces mas masivas que el Sol 27 El Sol de hecho tiene una nucleo a una temperatura en torno a los 15 7 106 K 28 Como estrella de la secuencia principal a medida que envejezca la temperatura de su nucleo aumentara y con ella el ciclo CNO aumentara su contribucion en la produccion de energia 22 Fusion del helio EditarArticulo principal Proceso triple alfa Las estrellas de la secuencia principal acumulan el helio en sus nucleos debido a la fusion de hidrogeno pero el nucleo no se encuentra lo suficientemente caliente como para proceder a su fusion La fusion del helio comienza a medida que la estrella abandona la rama de gigantes rojas tras acumular el suficiente helio en su nucleo como para quemarlo En estrellas con masa similar a la del Sol comienza en el extremo de la rama de gigantes rojas con un flash de helio provocado por el nucleo de helio degenerado La estrella se mueve a la rama horizontal donde comienza a quemar helio en su nucleo Por otra parte las estrellas mas masivas fusionan helio en sus nucleos sin un flash de este y realizan en cambio un bucle azul antes de alcanzar la rama asintotica gigante Una consecuencia importante de las estrellas que sufren este bucle azul es que dan lugar a las clasicas estrellas Cefeidas variables de gran importancia a la hora de determinar distancias dentro de la Via Lactea y de galaxias cercanas 29 Estas estrellas fusionan helio hasta que el nucleo queda reducido a carbono y oxigeno practicamente La mayor parte de las estrellas masivas se convierten en supergigantes cuando abandonan la secuencia principal y comienzan a fusionar helio rapidamente segun se van convirtiendo en supergigantes rojas Una vez el helio se ha consumido en el nucleo continuara en una corteza en torno al nucleo de carbono y oxigeno 18 21 Independientemente del caso el helio se fusiona en carbono por la via del proceso triple alfa es decir tres nucleos de helio se transforman en carbono via 8Be 30 Esto puede posteriormente producir oxigeno neon y elementos mas pesados via proceso alfa De esta forma los procesos alfa producen preferencialmente elementos con numero par de protones debido a la captura de nucleos de helio Los elementos con numero impar de protones se forman mediante diferentes caminos de fusion Quema de metales Editar El pico del hierro marca el final de la vida de las estrellas Como se ve en el diagrama el rendimiento a cada nueva etapa de fusion disminuye rapidamente Llegados al hierro ese rendimiento es negativo y las reacciones de fusion se detienen Si al agotarse el helio en el nucleo de la estrella la masa de la estrella es lo suficientemente grande el nucleo sera capaz de comprimirse y calentarse lo suficiente como para emprender la fase siguiente de fusion del carbono Habra pues dos nuevas capas de fusion una de helio y otra de hidrogeno encima de esta Tal y como ocurria en la transformacion a supergigante roja ahora la presion ejercida por esas nuevas capas hara que la cubierta externa de la estrella se expanda otra vez Las masas minimas para estos procesos no estan bien determinadas ya que se desconocen bastante los ritmos de reaccion las secciones eficaces y los ritmos de expulsion de masa por viento solar de las estrellas mas masivas El inicio de las reacciones del carbono se situan indicativamente en un minimo de 8 masas solares pero podria producirse a menores masas Se puede asegurar que con esa masa se llega a quemar el carbono pero el minimo real quiza estuviese entre 4 y 8 Por lo que respecta a los demas ciclos aqui los datos son todavia mas inciertos aunque se puede afirmar que una estrella de mas de 12 veces la masa del Sol deberia pasar por todas las fases de combustion posible hasta llegar al hierro A medida que se suman fases de combustion se anaden mas capas de fusion formando una especie de nucleo con estructura de cebolla Deberian producirse cambios a cada fase pero la del carbono es la ultima que dura un tiempo significativo por lo que las demas etapas de combustion no cambian excesivamente la constitucion de la estrella porque ocurren tan rapido que no da tiempo a la estrella a adaptarse a cada nueva situacion Asi la etapa de supergigante roja es realmente la ultima transformacion significativa tras ella y en posteriores fases de combustion la estrella se volvera cada vez mas inestable convirtiendose muy probablemente en una variable antes de su destino final como objeto compacto Combustion del carbono gt 8 MSol Editar Terminada la fusion del helio el nucleo vuelve a comprimirse y a elevar su temperatura De los tres elementos que mayoritariamente componen el nucleo en este estadio carbono y oxigeno en un 90 mas un poco de neon es el carbono el que tiene la temperatura de fusion mas baja unos 500 millones de grados gt 5 108 K o 50 keV Llegados a esta temperatura y a una densidad de unos gt 3 109 kg m 31 los atomos de carbono empiezan a reaccionar entre si dando lugar diversos elementos mas pesados a traves de una serie de canales de salida distintos La duracion de esta etapa sera del orden de unos cientos de anos pudiendo llegar a los 1000 anos Las reacciones mas probables son las que salen recuadradas en el diagrama La del sodio 23 tiene un 56 de ocurrencia y la del neon 20 un 44 Los protones y las particulas alfa emitidas en sendas reacciones seran rapidamente recapturados por el carbono el oxigeno el neon y el propio sodio Estas reabsorciones apenas si tienen efectos energeticos significativos pero en cuanto a la nucleosintesis si lo son ya que haran que el sodio no este presente entre los elementos residuales de la combustion del carbono Por lo que respecta al oxigeno si bien se forma bastante poco se suma al que ya se habia formado durante el proceso triple alfa Todo esto hara que quede un nucleo de oxigeno 16 neon 20 magnesio 24 y algunas trazas de silicio 28 La composicion de las cenizas de esta etapa es fundamentalmente la siguiente Fracciones de masa X O 0 59 X N e 0 28 X M g 0 05 displaystyle X O sim 0 59 qquad X Ne sim 0 28 qquad X Mg sim 0 05 Fotodesintegracion del neon EditarTerminado el carbono del nucleo central este vuelve a contraerse hasta llegar a la temperatura de 1 2 109 K momento en el cual vuelve a detenerse el colapso durante unos pocos anos una decada a lo sumo A esas temperaturas los fotones radiados por el centro del nucleo son tan energeticos que logran fotodesintegrar el neon 20 Este proceso aunque es endotermico consume energia consigue que de sus subproductos se derive otra reaccion que si es exotermica El balance global de ambos procesos es positivo y el resultado es que la estrella logra sostenerse mientras quede neon por fotodesintegrar en el nucleo g 20 N e 16 O a Q 4 73 M e V displaystyle gamma 20 Ne rightarrow 16 O alpha qquad Q 4 73MeV a 20 N e 24 M g g Q 9 31 M e V displaystyle alpha 20 Ne rightarrow 24 Mg gamma qquad Q 9 31MeV Como se ve en las reacciones adjuntas las cenizas de esta fase seran las mismas que en la anterior menos el neon que se habra consumido Se incrementara la cantidad de oxigeno y magnesio a la vez que siguen creandose nuevas capas de fusion Ahora aparte del nucleo de combustion de neon hay una capa de carbono otra de helio y una de hidrogeno Los vientos solares son ya muy intensos y desprenden grandes cantidades del hidrogeno mas externo poco ligado ya a la estrella Combustion del oxigeno Editar Finalizada la etapa del neon el nucleo de la estrella se vuelve a calentar y contraer hasta 1 5 a 2 109 K y 107 g cm temperatura y densidad a partir de las cuales se alcanza la ignicion del oxigeno La reaccion de fusion nuclear del oxigeno produce diversos canales de salida unos mas probables que otros del mismo modo que ocurria en la fusion del carbono La etapa dura unos pocos meses quiza un ano y sus cenizas son sobre todo silicio 28 acompanado de silicio 30 azufre 34 calcio 42 y titanio 46 Muchos de estos elementos son subproductos de las reacciones con protones neutrones o alfas recapturados Las tres reacciones mas probables son las que estan recuadradas Resultara azufre 31 un 18 de las veces fosforo 31 un 61 y silicio 28 un 21 Capas de combustion en una estrella agonizante en sus ultimos momentos antes del colapso final Fotodesintegracion y combustion del silicio Editar Cuando el nucleo alcanza los 2 7 109 K y 3 107 g cm se procede a la incineracion del silicio en un conjunto de complejas reacciones que sostendran por poco mas de un dia a la estrella Una parte del silicio 28 recibe el impacto de fotones ultraenergeticos que lo rompen en otros isotopos como silicio 27 o magnesio 24 En el proceso se reemiten gran cantidad de protones neutrones y alfas que enseguida son recapturados cada vez por atomos mas pesados en una aproximacion asintotica hacia el pico del hierro Asimismo el silicio tambien alcanza temperaturas de fusion que lo llevan a formar niquel 56 que posteriormente se degrada hasta el hierro 56 elemento final a partir del cual la fusion nuclear deja de ser una reaccion rentable y exotermica alcanzandose finalmente el equilibrio estadistico nuclear Fe56 Ni56 Llegados a este punto la ya muy convulsa estrella no podra sostenerse mas por si misma 28 S i 28 S i 56 N i g displaystyle 28 Si 28 Si rightarrow 56 Ni gamma 56 N i 56 C o e n e displaystyle 56 Ni rightarrow 56 Co e bar nu e 56 C o 56 F e e n e displaystyle 56 Co rightarrow 56 Fe e bar nu e Ratio de reaccion EditarLa densidad de ratio de reaccion entre dos especies A y B las cuales tienen densidades nA B viene dado por r n A n B k displaystyle r n A n B k Donde k es la constante del ratio de reaccion de cada par de elementos involucrados en el proceso de fusion nuclear k s v v displaystyle k langle sigma v v rangle Donde s v es la seccion eficaz para una velocidad relativa v y el promedio se realiza sobre todas las velocidades De forma semiclasica la seccion eficaz es proporcional a p l 2 displaystyle pi lambda 2 donde l h p displaystyle lambda h over p es la longitud de onda de de Broglie Por lo tanto la seccion eficaz semiclasica es proporcional a m E displaystyle m over E Sin embargo como la seccion eficaz incluye una probabilidad de tunel cuantico hay un factor de amortiguamiento exponencial para bajas energias que depende del factor de Gamow E G displaystyle E G dando lugar a una ecuacion de Arrhenius s v S E E e x p E G E displaystyle sigma v S E over E exp sqrt E G over E Donde S E depende de detalles concernientes a la respectiva interaccion nuclear y tiene la dimension de una energia multiplicada por una seccion eficaz Una vez integrado sobre todas las energias para obtener el ratio total de interaccion utilizando la distribucion de Maxwell Boltzmann y la relacion r V n A n B 0 S E E exp E G E 2 E p k T 3 exp E k T 2 E m R d E displaystyle r over V n A n B int limits 0 infty S E over E exp sqrt E G over E 2 sqrt E over pi kT 3 exp E over kT sqrt 2E over m R dE donde m R m 1 m 2 m 1 m 2 displaystyle m R m 1 m 2 over m 1 m 2 es la masa reducida Como la integral tiene un termino de amortiguamiento exponencial para altas energias de la forma exp E k T displaystyle thicksim exp E over kT y para bajas enrgias con el factor de Gamow podemos considerar la integral solo en torno al pico el conocido como pico de Gamow 32 E E G E E k T 0 displaystyle partial over partial E bigl sqrt E G over E E over kT bigr 0 Por lo tanto E 0 1 2 k T E G 2 3 displaystyle E 0 Bigl 1 over 2 kT sqrt E G Bigr 2 over 3 El exponente se puede aproximar en torno a E 0 displaystyle E 0 como exp E k T E G E exp 3 E 0 k T exp E E 0 2 4 3 E 0 k T displaystyle exp Bigl E over kT sqrt E G over E Bigl approx exp Bigl 3E 0 over kT Bigr exp Bigl E E 0 2 over 4 over 3 E 0 kT Bigr Y el ratio de reaccion queda aproximadamente como 33 r V n A n B 4 2 3 m R E 0 S E 0 k T exp 3 E 0 k T displaystyle r over V approx n A n B 4 sqrt 2 over sqrt 3m R sqrt E 0 S E 0 over kT exp Bigl 3E 0 over kT Bigr Los valores de S E 0 displaystyle S E 0 son tipicamente de 10 3 103 keV b pero estan amortiguados por un factor enorme cuando se tiene en cuenta un decaimiento beta debido a la relacion entre la semivida del estado ligado intermediario y la semivida del decaimiento beta como en la cadena de reaccion proton proton Notar que las temperaturas tipicas de un nucleo de estrellas pertenecientes a la secuencia principal dan un valor de kT del orden de keV 34 De esta forma la reaccion limite en un ciclo CNO con captura de proton del N 7 14 displaystyle ce 14 7N tiene S E0 S 0 3 5 keV b mientras que la reaccion limite de una cadena proton proton donde se crea deuterio utilizando dos protones tiene un S E0 S 0 4 10 22 keV b 35 36 mucho mas bajo De hecho dado que las reacciones de formacion que se encuentran dentro del nucleo de las estrellas tienen un factor de Gamow mucho mayor y debido a la abundancia relativa de elementos en estrellas tipicas los dos ratios de reaccion son iguales en el rango de temperaturas del nucleo de las estrellas de la secuencia principal Referencias Editar Formacion de los elementos Wikispaces Archivado desde el original el 28 de octubre de 2014 Consultado el 27 de diciembre de 2017 En el interior de las estrellas que son enormes masas de gases sobre todo de hidrogeno la grandes presiones y temperaturas hacen que se produzcan reacciones termonucleares de fusion de estos atomos que originan los elementos quimicos helio carbono y todos los elementos de la tabla periodica mas ligeros que el Hierro Este proceso se llama nucleosintesis estelar a b Hoyle F 1 de octubre de 1946 The Synthesis of the Elements from Hydrogen Monthly Notices of the Royal Astronomical Society en ingles 106 5 343 383 Bibcode 1946MNRAS 106 343H ISSN 0035 8711 doi 10 1093 mnras 106 5 343 Consultado el 3 de diciembre de 2021 a b Hoyle F 1954 09 On Nuclear Reactions Occuring in Very Hot STARS I the Synthesis of Elements from Carbon to Nickel The Astrophysical Journal Supplement Series en ingles 1 121 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