De la Química a l'Astronomia

Si la UNESCO va declarar l'any 2009 com l'Any Internacional de l'Astronomia, l'any 2011 va ser l'Any Internacional de la Química. És evident que l'Astronomia utilitza d'altres ciències per constituir-se per sí mateixa, així tan estira de la Física, com de la Química, de les Matemàtiques o de la Biologia.

La definició d'Astronomia, segons Viquipèdia, és : la ciència que estudia l'univers i els cossos celestes o astres, a partir de la informació que ens arriba d'ells a través de la radiació electromagnètica, tant pel que fa a la posició i moviment en l'esfera celeste com pel que fa a la seva natura, estructura i evolució.

Així han nascut noves branques de l'Astronomia, en funció de amb quina ciència s'han lligat, i ha nascut l'Astrobiologia, l'Astrofísica, l'Astroquímica o la Cosmoquímica. El lligam amb les matemàtiques és produeix a través de l'Astromecànica o Mecànica Celeste. Fins i tot, existeix una branca que s'anomena Arqueoastronomia, que estudia l'astronomia a les antigues cultures humanes.

Descomposició de la llum visible en el seu espectre

Centrant-nos en l'astronomia, l'única cosa que veiem de tots aquests cossos celestes és la llum que ens envien, ja sigui pròpia o reflectida. El que fan els astrònoms és analitzar-la, estudiant tota la banda de la freqüència electromagnètica, des de la banda d'ones de ràdio, menys energètica, fins a la zona dels raigs gamma, els més energètics.

Però què significa estudiar la llum que ens arriba?, com es produeix aquesta llum?.

Aquest és un efecte en part físic i en part químic. Els que hàgiu estudiat una d'aquestes dues carreres, segurament, us podreu estalviar de llegir el següent paràgraf.

Pels que voleu llegir, haurem d'entrar en el món dels àtoms i, ara, ens imaginarem un d'hidrogen, el més senzill de tots, compost per un nucli només amb un protó amb càrrega positiva, i al seu voltant un electró amb càrrega negativa, per tal de fer-lo elèctricament neutre. Ara també ens podem imaginar que aquest electró té diferents nivells energètics on es pot moure, uns de més baixos i estables, més a prop del nucli, i d'altres més alts i inestables, més allunyats. Compareu aquesta imatge dels diversos nivells energètics amb una escala de mà on els barrots de l'escala correspondrien a les diferents energies.

Doncs hem de pensar que cada cop que aquest electró salta d'un nivell a un altre, capta o emet llum i, això, és el que s'estudia en astronomia, la llum que emeten les estrelles, bàsicament. D'aquesta manera podem saber a quina velocitat es mou una estrella, si s'acosta o s'allunya, quina temperatura té, la seva velocitat de rotació, entre d'altres paràmetres. Recordeu que l'heli es va descobrir per primer cop estudiant l'espectre de llum que es rebia del Sol, a l'any 1868, abans de ser descobert a la Terra.

Espectre de l'hidrogen

També podem esbrinar els compostos químics que es troben per l'espai, ja sigui en cometes viatgers, com en núvols moleculars o en les més properes atmosferes dels satèl·lits de Júpiter o Saturn o en les dels darrers exoplanetes trobats. D'aquesta forma es coneix que existeixen grans quantitats de compostos químics per tot l'espai, tan aigua, com metà, àcid cianhídric, monòxid de carboni o aminoàcids, entre d'altres, que poden ajudar a formar la vida en qualsevol lloc de l'univers.

Altre punt de relació entre la Química i l'Astronomia toca de ple a la vida de les estrelles, on a través de reaccions nuclears podem anar seguint des del naixement de l'estrella, la seva evolució, passant per tots els estadis de les seves reaccions internes. La reacció bàsica és la de l'hidrogen produint heli, transformant un 0,7% de la seva massa en energia, o sigui en llum, quan assoleix els 15 milions de graus de temperatura.

Reaccions posteriors, un cop s'assoleixen els 100 milions de graus centígrads a la superfície de l'estrella degut a la contracció gravitatòria, permeten que tres àtoms d'heli es puguin arribar a ajuntar per a transformar-se en un àtom de carboni, en una reacció anomenada “triple alfa”, predita per Fred Hoyle al 1952 abans de que es conegués aquest procés, i que també genera molta energia, en forma de llum. Encara que aquest procés, degut a l'exigència de temperatura no es produeix a totes a les estrelles, ha estat molt important per l'obtenció del carboni sobre el qual està basada la vida tal com la coneixem.

Opacitat electromagnètica de l'atmosfera

Després el carboni passa a oxigen i posteriorment a neó, i tot el procés de creació d'elements químics per fusió nuclear pot continuar d'una forma molt ràpida fins acabar en el ferro, últim element químic que es pot generar cedint energia. A partir d'aquí aquest tipus de reaccions consumeixen energia, no en donen. Encara que ara estem parlant ja de l'etapa final de la vida de l'estrella abans de que col·lapsi gravitatòriament i es transformi en nana o exploti com una nova o supernova. En aquests darrers casos, amb l'energia proporcionada per l'explosió es podran generar la resta d'elements químics, superiors al ferro, com l'or o l'urani.

Aquest núvol de material expulsat tornarà a ajuntar-se per atracció gravitatòria amb altres molècules a l'espai i produirà una nova estrella, en aquest cas de segona generació, com seria el cas del nostre Sol. De totes formes, segons la Teoria Cosmològica Estàndard tot l'hidrogen existent a l'Univers va ser creat durant els tres primers minuts d'existència, és a dir, en el moment de la Gran Explosió inicial, coneguda com a Big-Bang. Després ja no s'ha creat més hidrogen, i una part d'ell, un 25% encara es va transformar en heli en aquell mateix moment inicial. Tota la resta dels elements, com deia, s'han produït a les estrelles.

Aquesta és la extraordinària resultant d'ajuntar la química amb el fabulós món de l'astronomia, intentar entendre com es va formar l'Univers des del seu primer moment, com ha anat evolucionant i quin final l'espera.

Publicat a la revista de l'Associació de l'Institut Químic de Sarrià - News AIQS en el número 61 de l'abril 2012.

Cosmologia (II)

Al punt de l'inici del segle XX, n'Albert Einstein va plantar les bases de la Cosmologia Contemporània amb la seva Teoria de la Relativitat tot recolzant-se en la constància de la velocitat de la llum, confirmada pels experiments de Michelson i Morley al 1887.

És a partir de 1925 quan Edwin Hubble va mostrar que la nebulosa d’Andròmeda es trobava més enllà dels límits de la nostra Galàxia, i més tard quan descobreix que l’Univers es va expandint, i que les galàxies s’allunyen les unes de les altres, a causa del creixement de l'espai entre elles, significant això que l’Univers era dinàmic, que canviava amb el temps, o sigui que abans era més calent i dens, confirmant la teoria d'Einstein.

Lentament s’anaven posant les bases per la teoria de la Gran Explosió (Big Bang), promoguda per George Gamow al 1948, com una de les solucions a les equacions d'Einstein. En paral·lel es varen crear altres interpretacions, com la teoria de l’Estat Estacionari, defensada per Hole, Gold i Bondi principalment.

En aquesta teoria estacionària, l’Univers és infinitament vell i sempre ha tingut el mateix aspecte que ara. Per fer compatible aquesta idea amb l’expansió de l’Univers, cal que es creï matèria constantment per omplir l’espai que va quedant entre les galàxies. Aquesta visió d’un Univers immutable en el temps, malgrat els seus atractius filosòfics, va entrar en conflicte amb les observacions de radiogalàxies i quàsars, objectes que es troben molt lluny i, per tant, els observem com eren fa milers de milions d’anys, i ens mostren clarament que el contingut de l’Univers ha anat canviant amb el temps, que no s’ha mantingut estacionari.

Imatge del WMAP del fons còsmic de microones

Al temps, a més de les troballes d'en Hubble sobre l'expansió de l'Univers, es va confirmar que la proporció entre àtoms d'hidrogen i heli era de 75/25%, conforme a la teoria del Big Bang. I posteriorment al 1964, Penzias i Wilson, van confirmar escoltant el cel amb una gran antena, que existia una remor de fons en la banda de les microones, en qualsevol direcció que es fes, que responia perfectament a l'eco residual de la gran explosió inicial, el Big Bang.

Encara que aquesta teoria no emplena tots els dubtes existents, sí que és la que de forma més coherent els resol actualment, encara que necessita ser consolidada. En aquest sentit s'està treballant amb l'accelerador de partícules LHC a Ginebra, per trobar partícules com el bosó de Higgs, que aquesta teoria descriu.

No per això, deixa de tenir competidors que continuen empenyent, com la Teoria de Supercordes o la de Variació de la Velocitat de la Llum (VSL) de Megueijo i Albrecht.

Gràcies a la tecnologia hem après més sobre l'univers i les estrelles al segle passat que en tots els segles anteriors junts.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 146 del febrer 2012