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domingo, marzo 12, 2017

Post Vintage (220): En el corazón del amanecer

El observatorio Borexino confirma la detección directa de neutrinos de baja energía, producidos en la reacción nuclear que inicia la generación de energía solar.

Aunque es uno de las múltiples elementos que damos por descontado, como algo normal que es como "tiene que ser", el motivo por el cual el Sol (y por extensión el resto de estrellas) brilla ha sido un misterio durante la mayor parte de la historia humana. Una explicación temprana la ofreció el filósofo griego Anaxágoras, que en torno a 450 antes de nuestra era señalaba que su luminosidad se debía a que era una piedra "al rojo vivo", algo que puede ahora parecer ridículo pero que para su época, donde dominaba una visión religiosa de la realidad, eran palabras revolucionarias y durante mucho tiempo lo más parecido que existió a una explicación científica.

A mediados del Siglo XIX, Julius Mayer estimó que si el Sol fuera un trozo gigante de carbón sólo podía brillar durante algunos miles de años, lo que descartaba la combustión química como posible fuente de energía. Tanto Mayer y como John Waterston especularon que su brillo y calor tenía como origen la liberación de energía gravitacional por parte de los meteoritos que impactaban contra el, sugiriendo también Waterston, de forma alternativa, una lenta contracción del astro a lo largo del tiempo. Aunque sabemos hoy día que estaban equivocados era una explicación con una lógica científica sólida, y que podría aplicarse al resto de estrellas.

Físicos de renombre Lord Kelvin y Hermann von Helmholtz continuaron con la idea de la contracción gravitacional, pero el problema seguía siendo que el Sol sólo podía brillar esta manera por algunas decenas de millones de años. Esta es una pequeña fracción de la edad de La Tierra como entonces estimada a partir de estudios geológicos, y cada vez más discrepa te cuando esta se revisó al alza. La respuesta se seguía resistiendo.

La situación cambió en el siglo XX con la llegada de la llamada "física moderna", que comenzó a entender la estructura y el comportamiento de los átomos, incluyendo la obra de Albert Einstein al equiparar  masa y energía. Así, mientras que algunos sugirieron desintegración radiactiva como la fuente de energía del Sol, la ausencia relativa de los átomos necesarios estaba en contra de esta explicación. Sería el físico y químico británico Francis Aston quien daría con la clave, mostrando que 4 átomos de Hidrógeno tienen más masa que 1 átomo de Helio. Esto llevó el astrofísico británico Arthur Eddington a proponer que era precisamente la fusión de átomos de Hidrógeno en Helio, siendo la "masa perdida", convertida en energía, el motor definitivo de nuestra estrella y el que explicaba que pudiera mantenerse activa y brillante durante miles de millones de años.

Aunque aún tardarían años en superarse la fase "intuitiva" y desarrollarse como una estructura coherente, se habían dado los primeros pasos en el concreto de la fusión nuclear, que en el interior del Sol y otras estrellas es un proceso de varios pasos, y consiste en una serie de colisiones de 2 átomos, en lugar de la colisión improbable de 3 o incluso 4 átomos juntos como un solo evento. Dentro de las estrellas más masivas que el Sol, el proceso dominante es un "ciclo CNO" que también involucra a átomos de Carbono, Nitrógeno y Oxígeno. Pero para las estrellas como la nuestra, el proceso dominante es la reacción en cadena "protón-protón".

Pero toda hipótesis necesita evidencias para convertirse en una teoría sólida, predicciones que están sujetas a las pruebas a través de la experimentación y la observación, y la cadena protón-protón predice que como resultado deberían ser emitidos cantidades ingentes de Neutrinos. Cuando varios equipos empezaron su estudio a partir 1960 se detectaron menos de los previsto, por un factor de dos o tres.¿Se necesitaba una nueva teoría? Posteriormente se desveló que los neutrinos solares oscilan entre diferentes estados (electrónico, muónico y tauónico), y que no todos estaban siendo detectados por los observatorios existentes, pero a pesar de ello, el primer paso fundamental en el proceso de fusión de Hidrógeno en el interior del Sol había carecido de pruebas de observación directa. Hasta ahora. 

El experimento Borexino, situado muy por debajo de las montañas italianas de los Apeninos, forma parte de este enorme esfuerzo científico por entender el corazón del Sol, y por extensión, de las estrellas en general, un contenedor con un líquido orgánico ultra-puro (un líquido como el benceno derivado de un "antíquisimo petróleo de millones de años de edad", entre los más antiguos que se pueden encontrar en La Tierra) que centellea en el centro de una gran esfera rodeada de mil toneladas de agua. Su gran profundidad y múltiples capas de protección mantienen su núcleo como el medio más libre de radiación en todo el planeta, permitiendo detectar las esporádicas y tenues interacciones con Neutrinos solares, incluidos los de baja energía. Y es que, aunque unos 420.000 millones impactan contra cada centímetro cuadrado de la superficie de la Tierra por segundo, estos apenas interactúan realmente con la materia, atravesándola como si fuera totalmente transparente. Solo una minúscula fracción lo hace, y es precisamente ese tenue eco lo que buscan este y otros detectores.

Un equipo científico que trabaja en estas instalaciones anunció recientemente, en un artículo de investigación publicado en la revista Nature, la detección de Neutrinos de baja energía producidos en la reacción nuclear que inicia la generación de energía solar, los llamados "neutrinos pp", que  constituyen la inmensa mayoría de los Neutrinos producidos en el interior del Sol. Esto parece demostrar que el 99% de la energía de nuestra estrella tiene realmente su origen en la reacción en cadena protón-protón.

Por otro lado, Borexino es el único detector en La Tierra capaz de observar todo el espectro de los neutrinos solares simultáneamente, confirmando su comportamiento cambiante, de tipo "electrones" en el corazón del Sol y que, a medida que viajan, oscilan o cambian entre los otros dos tipos, de "muones" a "tau". Como explica Pauline Gagnon, físico de partículas de la Universidad de Indiana, "son como una especie de SuperMan: Entran en una cabina de teléfonos en algún lugar y se transforman en otra cosa".

"Con estos últimos datos estamos buscando directamente al impulsor del mayor proceso de producción de la energía del sol o la cadena de reacciones, pasando por su extremadamente caliente denso núcleo. Mientras que la luz que vemos del Sol a diario nos llega en unos ocho minutos, se necesitan decenas de miles de años para que la energía que el sol irradia desde su centro se emita como luz", señala Andrea Pocar, de la Universidad de Masssachusetts Amherst, en Estados Unidos."Comparando los dos tipos diferentes de energía solar irradiada, los neutrinos y la luz de la superficie, se obtiene información experimental sobre el equilibrio termodinámico del sol sobre una escala de tiempo de 100.000 años. Si los ojos son el espejo del alma, con estos neutrinos, no estamos buscando sólo en su cara sino directamente en su núcleo. Hemos vislumbrado el alma del Sol". 

Y es ardiente. Nos lleva iluminando desde hace más de 4.000 millones de años, desde el amanecer de los tiempos. Lo seguirá haciendo durante varios miles de millones de años más. Y para los habitantes de este pequeño mundo azul sigue siendo el reloj que marca el ritmo de su existencia.

La cadena Protón-Protón, el "motor" que permite a nuestra estrella seguir generando energía desde hace varios miles de millones de años.

Directo desde el corazón del Sol.

El detector de Neutrinos de baja energía Borexino, una puerta al Sol desde el interior de los montes Apeninos. 

Detectan neutrinos en el corazón del sol

Has Science Fully Explained Sunshine?

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