Imaginemos un viaje por el espacio interestelar, observando las estrellas como enormes fábricas donde se forjan los elementos químicos que componen toda la materia que conocemos. Desde el comienzo de universo, las fraguas estelares han ido convirtiendo los átomos más pequeños, el hidrógeno y helio fundamentalmente, en átomos cada vez más pesados. Y no solamente se han limitado a crearlos, además los han ido diseminando por todo el Cosmos. Así, poco a poco, el universo se fue enriqueciendo de carbono, oxígeno, nitrógeno, hierro y toda la variedad de átomos que ahora nos forman a todos nosotros y a nuestro pequeño mundo habitado.

Cada átomo tiene su propia historia y investigadores como Adriá Casanovas, nuestro invitado en Hablando con Científicos, se esfuerzan por descubrir los pasos con los que las estrellas fueron escribiendo esa historia. Adriá se ha centrado en estudiar cómo se creó un átomo muy pesado y especial cuya formación ha intrigado a los científicos desde hace tiempo: el Plomo 204, un tipo de átomo clave para comprender el origen y evolución de nuestra galaxia y el sistema solar.

El Plomo-204 se origina en los procesos nucleares que tienen lugar en estrellas gigantes (AGB), que son verdaderas fábricas de átomos. Dentro de ellas, se producen átomos más pesados que el hierro mediante un proceso llamado “proceso s”. Este proceso consiste en que los átomos más pequeños atrapan neutrones, uno por uno, muy lentamente (por eso se llama “lento” o “s”).

Los neutrones, junto a los protones, son los componentes principales de los núcleos de los átomos, cada átomo de la tabla periódica tiene un número determinado de protones, el hidrógeno tiene uno, el helio, 2, y así vamos subiendo en tamaño, el plomo ocupa el puesto 82, porque su núcleo contiene 82 protones. Ahora bien, los protones solos no pueden coexistir, necesitan la presencia de neutrones que hagan de pegamento nuclear. Así si un núcleo de plomo contiene, además, 122 neutrones, el átomo resultante tendrá, sumando protones y neutrones, un total de 204, de ahí el nombre de “Plomo 204”

Cuando los átomos atrapan suficientes neutrones, pueden sufrir una especie de “indigestión nuclear “ y se transforman en otros átomos nuevos. Pero no todos los átomos son fáciles de crear. El plomo-204 es uno de los átomos más complicados porque necesita pasar por un camino especial. Ese camino incluye a otro átomo llamado talio-204. Aunque el número es el mismo, el talio tiene un protón menos (81) y un neutrón más (123) que el plomo-204, curiosamente esa proporción no es muy estable y tiende a cambiar convirtiéndose en una especie de “puente” hacia otros átomos. Así, decimos que el talio 204 es radiactivo y tiene una vida media de 3,78 años, es decir que, en ese tiempo la mitad de los átomos de una muestra de talio 204 se habrán convertido en otros átomos.

Por mucho tiempo, los científicos intentaron entender cuánto plomo-204 podían hacer las estrellas, pero algo no cuadraba. Los modelos y simulaciones que hacían no lograban explicar por qué había tanto plomo-204 en nuestro sistema solar.

Este es el problema que Adriá Casanovas se planteó resolver durante su tesis doctoral. No era un problema de fácil solución porque se hacía necesaria la colaboración de muchos otros investigadores en distintas instituciones de España y del resto de Europa. Para estudiar cómo se forma el Plomo-204 en las estrellas había que recrear los elementos iniciales y las condiciones que reinan en ellas, y eso no es empresa fácil. Primero tuvieron que fabricar una pequeña cantidad de talio-204 en otro laboratorio, porque este átomo no se encuentra fácilmente. Para lograrlo, el grupo de investigación del IFIC y la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), donde se integraba Adriá, contactó con investigadores del Paul-Scherrer Institute (PSI) en Suiza y con el reactor de alto flujo de Grenoble en el Institut Laue-Langevin (ILL) en Francia para crear una muestra de Talio-204 suficientemente grande como para trabajar con ella.

Una vez conseguida la muestra, tuvo que entrar en juego el laboratorio de experimentación con neutrones n_TOF del CERN, ubicado en Ginebra (Suiza).En este laboratorio lograron medir algo que nadie había hecho antes: cómo el talio-204 atrapa neutrones.

Con estos experimentos, los científicos descubrieron exactamente cuánta “energía” necesita el talio-204 para atrapar neutrones y cómo esto permite calcular la cantidad de plomo-204 que se genera en los procesos estelares. Gracias a estos nuevos datos, pudieron ajustar sus modelos y aportar las pruebas experimentales necesarias para comprender el proceso.

Este hallazgo es muy emocionante porque nos ayuda a comprender mejor cómo se forman los átomos pesados en el universo. Además, el plomo-204 es especial porque nos cuenta historias sobre el pasado de nuestro Sistema Solar. Es como si guardara un diario antiguo que nos dice cómo eran las cosas hace miles de millones de años y cómo se formaron los elementos químicos que ahora nos forman a nosotros y al resto de los objetos que nos rodean. Así, gracias al esfuerzo de un enorme grupo de investigadores y al trabajo de Adrià Casanovas, cada vez que miremos al cielo estrellado, podemos ver las estrellas, no solamente como fuentes de luz lejana sino como los talleres donde se forjan los átomos que forman nuestro mundo y todo el universo.

Adrià Casanovas Hoste es Investigador posdoctoral en la Universitat Politècnica de Catalunya.

Referencia:

A. Casanovas-Hoste et al. (n_TOF Collaboration). Shedding Light on the Origin of 204Pb, the Heaviest s-Process–Only Isotope in the Solar System. Phys. Rev. Lett. 133, 052702.