El Sol brilla luminoso (4 page)
El problema radica en que el Sol no pierde simplemente masa; actúa como resultado de unas específicas reacciones nucleares.
Esas reacciones nucleares tienen lugar de una manera más bien complicada, pero el resultado neto es que el hidrógeno se convierte en helio. Para ser más específico, cuatro núcleos de hidrógeno, cada uno de los cuales consiste en un solo protón, se convierten en un simple núcleo de helio, formado por dos protones y dos neutrones.
La masa de un protón es (según las unidades estándar de masa hoy empleadas) 1,00797. Y cuatro de ellos, consiguientemente, poseen una masa de 4,03188. La masa de un núcleo de helio es de 4,00260. Al convertir cuatro núcleos de hidrógeno en un núcleo de helio, se produce una pérdida de 0,0293 unidades de masa, o el 0,727 % de la masa de los cuatro protones.
En otras palabras, no podemos esperar que el Sol pierda toda su masa cuando el hidrógeno haya desaparecido. Sólo pierde el 0,727% de su masa mientras todo el hidrógeno se convierte en helio. (Puede perder un poco más de masa al convertir el helio en unos núcleos aún más complicados, pero esta pérdida adicional es pequeña en comparación con la disminución de hidrógeno a helio, y podemos despreciarla. También desdeñaremos las pequeñas pérdidas relacionadas con el mantenimiento del viento solar.)
Exactamente ahora, a fin de brillar tan luminoso, el Sol está convirtiendo cada segundo 580 mil millones de Kg de hidrógeno en helio.
Si el Sol ha empezado su vida como hidrógeno puro, y si ha estado consumiendo hidrógeno a esta misma fija proporción desde siempre, en ese caso su existencia total antes de que los últimos rastros de hidrógeno se vean consumidos aún duraría cosa de 100 mil millones de años.
Para aseguramos, vamos a suponer que el Sol estuvo formado por algo que no fuese hidrógeno puro. La composición de la nube original que lo formó, parece ser que ya contenía un 20% de helio. Incluso así, al parecer existe suficiente hidrógeno en el Sol como para que siga brillando durante 75 mil millones de años en la proporción actual.
Y, sin embargo, no continuará durante tanto tiempo en la forma actual; ni de lejos. El Sol seguirá brillando, más o menos, en su forma actual durante sólo siete mil millones de años, a lo sumo. Luego, en su núcleo, que se habrá ido haciendo cada vez mayor y más caliente durante todo este tiempo, el helio comenzará a fundirse y ello dará inicio a una serie de cambios que producirán que el Sol se expanda hasta convertirse en una estrella gigante roja y, llegado el momento, se colapsará.
Incluso cuando comience su colapso, quedará todavía una buena cantidad de hidrógeno. En realidad, una estrella lo suficientemente grande como para formar una supernova y brillar, momentáneamente, con tanta luminosidad como una galaxia completa de estrellas, porque la mayor parte del hidrógeno que
aún
posee se consumirá de una sola vez.
Resulta claro que, si pretendemos conocer el futuro del Sol, debemos saber algo más que su contenido en hidrógeno y el índice actual de la pérdida de hidrógeno. Debemos conocer mucho más acerca de los detalles exactos de lo que está sucediendo en su núcleo exactamente ahora, para que podamos saber lo que ocurrirá en el futuro.
Enfoquemos el asunto desde un ángulo diferente. Si cuatro protones se convierten en un núcleo de helio de dos protones y dos neutrones, en ese caso dos de los protones originales deberán convertirse en neutrones.
De los 580 mil millones de Kg de hidrógeno que se convierten en helio cada segundo, la mitad, es decir, 290 mil millones de Kg representan protones que van a ser convertidos en neutrones.
Así, pues, existen unos 600.000.000.000.000.000.000.000.000 de protones en cada kilogramo de hidrógeno, una cifra que resulta más fácil representar por 6 x 10
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. Eso significa que existen, en números redondos, 1,75 x 10
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protones en 290.000.000.000 Kg; o, si se desea en la hilera actual:
175.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000
Por tanto, en el núcleo del Sol 1,75 x 10
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protones están siendo convertidos en 1,75 x 10
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neutrones cada segundo. Eso es lo que hace posible el que usted pueda conseguir un buen bronceado en la playa; o, si prefiere mostrarse más lúgubre al respecto, es lo que hace posible que la vida exista.
Un protón no cambia a neutrón, de todos modos, de una forma tan sencilla. El protón posee una carga eléctrica positiva y el neutrón carece de carga. Por la ley de conservación de la carga eléctrica, esa carga positiva no puede desaparecer en la nada. Por esta razón, cuando un protón se convierte en un neutrón, se forma también un positrón. El positrón es una partícula más ligera, con sólo 1/18
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de la masa de un protón, pero lleva, exactamente, la carga eléctrica positiva de un protón.
En ese caso, el positrón no puede formarse tampoco por completo por sí mismo. Es una partícula de una clase que existe en dos variedades: «leptones» y «antileptones». Si se forma una partícula de esas variedades, en tal caso una partícula de la otra variedad debe también formarse. Esto se llama la ley de conservación del número de leptones. Esta ley de conservación admite dos variedades: la conservación del número de familia de electrón y la conservación del número de familia muón.
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El positrón es un ejemplo de un antileptón de la familia electrón. Tenemos que formar un leptón de la familia electrón para equilibrarlo. El neutrón y el positrón, al formarse, han consumido toda la masa y carga eléctrica del protón original; por lo tanto, el leptón que se equilibra no debe tener ni masa ni carga. No obstante, deben existir ciertas cantidades de energía, inercia angular, etc. El leptón que se ha formado para equilibrar el positrón es el neutrino, que carece de carga y de masa.
En el núcleo del Sol, pues, se forman, cada segundo, 1,75 x 10
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positrones y 1,75 x 10
39
neutrinos.
Podemos desdeñar los positrones. Permanecen dentro del Sol, haciendo saltar otras partículas, siendo absorbidos, reemitidos, cambiados.
No obstante, los neutrinos son una materia diferente. Sin masa y sin carga, no se ven afectados por tres de los cuatro tipos de interacción que existen en el Universo: la fuerza, el electromagnetismo y la gravedad. Sólo les afecta una interacción débil.
La interacción débil decrece en intensidad tan rápidamente con el aumento de la distancia, que el neutrino debe estar casi en contacto con alguna de las otras partículas a fin de ser influido por la interacción débil. Sin embargo, sucede que el neutrino se comporta como si tuviese un diámetro de 10
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, lo cual representa una cienmillonésima de la anchura de un protón o de un neutrón. Además, puede deslizarse a través de la materia sin perturbarla. Y si sucede que se aproxima a un núcleo atómico, un neutrino carece de masa y, pese a ello, se mueve a la velocidad de la luz. A diferencia de los protones y neutrones de movimientos más bien lentos, un neutrino no permanece en las cercanías de otra partícula durante más allá de 10
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segundos.
La consecuencia de todo ello, es que un neutrino, virtualmente, nunca interactúa con ninguna otra partícula, sino que pasa como un rayo a través de la materia sólida, como si se tratase del vacío. Un rayo de neutrinos puede atravesar un año luz de plomo sólido y emerger del mismo apenas atenuado.
Esto significa que los neutrinos formados en el centro del Sol no son absorbidos, reemitidos o cambiados de ninguna forma significativa. Indiferentes a lo que les rodea, los neutrinos salen del núcleo del Sol en todas direcciones, a la velocidad de la luz. Tres segundos después de su formación, los neutrinos constituidos en el centro del Sol alcanzan la superficie del astro y se desplazan hacia el espacio. Por ello, el Sol emite 1,75 x 10
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neutrinos al espacio cada segundo y, presumiblemente, de una forma igual en todas direcciones.
En unos ocho minutos después de su formación, esos neutrinos solares se encuentran ya a 150 millones de Km del Sol, y ésta es, exactamente, la distancia a la que la Tierra orbita alrededor del Sol.
Sin embargo, no todos los neutrinos solares alcanzan la Tierra, porque no han estado moviendo en esta dirección. Los neutrinos solares pueden considerarse, ocho minutos después de la formación, como si se moviesen a través de una gran esfera hueca, cuyo centro es el núcleo del Sol y un radio que equivale a 150 millones de Km. El área de la superficie de semejante esfera es de unos 2,8 x 10
17
Km
2
.
Si los neutrinos solares se mueven en todas direcciones por igual, en ese caso, a través de cada kilómetro cuadrado de esa esfera imaginaria, están pasando 6,3 x 10
20
neutrinos. Hay 10 mil millones (10
10
) de centímetros cuadrados por cada kilómetro cuadrado; por lo tanto, 6,3 x 10
10
(63 mil millones) de neutrinos pasan en un segundo a través de cada centímetro cuadrado de dicha esfera imaginaria.
Parte de la citada esfera se encuentra ocupada por la Tierra. La Tierra posee un radio de 6.378 Km, por lo que el área de su sección de corte transversal es, en números redondos, de 128.000.000. Km
2
, o, aproximadamente, 1/2.000.000 de la esfera total imaginaria que rodea al Sol.
Un conjunto de unos 8 x 10
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de neutrinos solares pasan a través de la Tierra cada segundo, día y noche, año tras año.
¿Y cuántos le alcanzan a usted? Veremos: un ser humano tiene una forma irregular. Para simplificar el asunto, supongamos que un ser humano es un paralelepípedo, de 170 cm de altura, 35 cm de anchura y 25 cm de grosor. La sección de corte transversal sería de 35 x 25, es decir, 875 cm
2
, y la mayor sección de corte transversal sería de 35 x 170, ó 5.950 cm
2
. La actual sección transversal que presenta un ser humano a la corriente de neutrinos, dependería de la orientación del hombre o la mujer con respecto al Sol.
Supongamos que 3.400 cm
2
representa un promedio razonable de la sección de corte transversal presentado a la corriente de neutrinos. En ese caso, un poco más de 2 x 10
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(200 billones) de neutrinos Solares están pasando a través de su cuerpo cada segundo, aunque sin molestarle en absoluto…
De todos modos, de vez en cuando un neutrino alcanzará un núcleo atómico en ángulo recto para interaccionar e inducir una reacción nuclear que sería la inversa de la que hubiera producido un neutrón. La conversión de un protón en un neutrón produce un neutrino, por lo que la absorción convierte a un neutrón en protón. La emisión de un neutrino se ve acompañada por la emisión de un positrón. La absorción de un neutrino va seguida por la emisión de un electrón, que es el opuesto a un positrón.
En el cuerpo humano, es posible que un neutrino sea absorbido cada cincuenta años, pero los físicos pueden concebir un mecanismo de absorción más eficiente.
Si un neutrino choca contra un núcleo de cloro-37 (17 protones, 20 neutrones), en ese caso uno de los neutrones se convertirá en un protón y argón-37 (18 protones, 19 neutrones), al mismo tiempo que se formará un electrón.
Para hacer detectable este proceso, se necesita una gran cantidad de átomos de cloro-37 en la más cercana proximidad, por lo que un número mensurable de los mismos será alcanzado. El cloro-37 recupera una cuarta parte de los átomos del elemento cloro. Como gas, el cloro es, principalmente, un espacio vacío, y para licuarlo y hacer que sus dos moléculas de dos átomos entren en contacto, se requiere presión elevada, baja temperatura, o ambas cosas. Es más sencillo emplear percloroetileno, que es líquido a la temperatura y presión ordinarias, y que está compuesto de unas moléculas, cada una de las cuales contienen dos átomos de carbono y cuatro átomos de cloro. La presencia de los átomos de carbono no se interfiere y el percloroetileno es razonablemente barato.
Naturalmente, necesitará un montón de percloroetileno: en realidad, unos 400.000 litros. También se necesita un sitio donde
sólo
sean alcanzados los neutrinos, por lo que se los introducirá a la profundidad de 2 Km en una mina de oro, por ejemplo, de Dakota del Sur. Nada del espacio exterior, ni siquiera las partículas de rayos cósmicos más fuertes se abrirá paso a través de los 2.000 m de rocas para llegar al percloroetileno. Nada, excepto los neutrinos. Éstos se deslizarán por la roca, como si la misma no estuviese allí, y alcanzarán al percloroetileno.
¿Y qué pasará con los vestigios de radiactividad en las rocas alrededor del percloroetileno? Está bien, tendrá que rodear esa tina con agua para absorber cualquier tipo de radiaciones radiactivas.
En 1968, Raymond Davis, Jr. hizo todo esto y comenzó a capturar neutrinos. No demasiados. Cada dos días, capturó
uno
en todos esos miles de litros de percloroetileno. Dejó que las capturas se acumulasen y luego empleó gas helio para eliminar cualesquiera átomo de argón que se hubiesen formado. Los pocos átomos de argón-37 podrían ser contados con precisión debido a ser radiactivos.
No obstante, se produjo una sorpresa. Se capturaron neutrinos…, pero no los suficientes. Davis consiguió sólo una sexta parte de los neutrinos que esperaba en sus primeras observaciones. Una vez hubo taponado hasta la última grieta, y trabajó en este asunto durante diez años, pudo aumentar el número hasta una tercera parte de lo que esperaba, pero no más.
¡Pero resulta excitante que, inesperadamente, algo funcione mal!
Si el experimento hubiese salido a la perfección, los científicos únicamente hubieran sabido que sus cálculos eran correctos. Se hubiesen sentido gratificados, pero no hubieran seguido adelante.
Al saber que algo va mal, eso significa que deben volver al viejo tablero de dibujo, para darle vueltas a lo que creen que saben. Si pueden modificar su teoría para que explique la observación anómala, averiguarán que la nueva (y presumiblemente mejor) teoría podrá, tal vez del todo inesperadamente, explicar también otros misterios.
Sí…, pero, ¿cómo explicar la anomalía?
Se sugirieron muchas clases de cosas. Quizá la teoría de la formación de neutrinos estuviese equivocada. A lo mejor los neutrinos no fuesen estables. Era posible que existiesen factores en el núcleo del Sol, con efectos de mezclado o de no mezclado, que no hubiesen sido tenidos en cuenta. Quizás el Sol hubiese incluso dejado de funcionar por alguna razón y, llegado el momento, el cambio alcanzaría a la superficie y ya no brillase con tanta luminosidad y todos acabaríamos por morirnos.