20.5: El ciclo de vida del material cósmico
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Objetivos de aprendizaje
- Explicar cómo la materia interestelar fluye dentro y fuera de nuestra Galaxia y se transforma de una fase a otra, y comprender cómo la formación y evolución estelar afecta las propiedades del medio interestelar
- Explicar cómo los elementos pesados y los granos de polvo que se encuentran en el espacio interestelar llegaron allí y describir cómo los granos de polvo ayudan a producir moléculas que eventualmente encuentran su camino en los sistemas planetarios
Flujos de Gas Interestelar
Lo más importante a entender del medio interestelar es que no es estático. El gas interestelar orbita a través de la Galaxia, y a medida que lo hace, puede volverse más o menos denso, más caliente y más frío, y cambiar su estado de ionización. Una parcela particular de gas puede ser hidrógeno neutro en algún momento, luego encontrarse cerca de una estrella joven y caliente y convertirse en parte de una región H II. La estrella puede entonces explotar como una supernova, calentando el gas cercano hasta temperaturas de millones de grados. A lo largo de millones de años, el gas puede volver a enfriarse y volverse neutro nuevamente, antes de acumularse en una región densa que la gravedad se acumula en una nube molecular gigante (Figura\(\PageIndex{1}\))
En cualquier momento dado de la Vía Láctea, la mayoría del gas interestelar por masa y volumen está en forma de hidrógeno atómico. Las nubes moleculares mucho más densas ocupan una pequeña fracción del volumen del espacio interestelar pero agregan aproximadamente 30% a la masa total de gas entre las estrellas. Por el contrario, el gas caliente producido por las explosiones de supernova aporta una masa insignificante pero ocupa una fracción significativa del volumen del espacio interestelar. Las regiones H II, aunque son visualmente espectaculares, constituyen solo una fracción muy pequeña de la masa o volumen del material interestelar.
Sin embargo, el medio interestelar no es un sistema cerrado. El gas del espacio intergaláctico cae constantemente sobre la Vía Láctea debido a su gravedad, agregando nuevo gas al medio interestelar. Por el contrario, en nubes moleculares gigantes donde el gas se acumula junto debido a la gravedad, el gas puede colapsar para formar nuevas estrellas, como se discute en El nacimiento de las estrellas y el descubrimiento de planetas fuera del Sistema Solar. Este proceso bloquea la materia interestelar en estrellas. A medida que las estrellas envejecen, evolucionan y eventualmente mueren, las estrellas masivas pierden una gran fracción de su masa, y las estrellas de baja masa pierden muy poco. En promedio, aproximadamente un tercio de la materia incorporada a las estrellas regresa al espacio interestelar. Las explosiones de supernova tienen tanta energía que pueden expulsar la masa interestelar de la Galaxia y regresar al espacio intergaláctico. Así, la cantidad total de masa del medio interestelar se establece por una competencia entre la ganancia de masa del espacio intergaláctico, la conversión de la masa interestelar en estrellas y la pérdida de masa interestelar de regreso al espacio intergaláctico debido a supernovas. Todo este proceso se conoce como el ciclo bariónico —el barión proviene de la palabra griega para “pesado”, y el ciclo tiene este nombre porque es el proceso repetitivo que experimentan los componentes más pesados del universo —los átomos—.
El ciclo del polvo y los elementos pesados
Si bien gran parte de la masa del medio interestelar es material acumulado durante los últimos mil millones de años del espacio intergaláctico, esto no es cierto para los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, o del polvo. En cambio, estos componentes del medio interestelar se hicieron dentro de estrellas en la Vía Láctea, lo que las devolvió al medio interestelar al final de sus vidas. Hablaremos más sobre este proceso en capítulos posteriores, pero por ahora solo ten en cuenta lo que aprendimos en The Sun: A Nuclear Powerhouse. Lo que las estrellas “hacen para ganarse la vida” es fusionar elementos más pesados de los más ligeros, produciendo energía en el proceso. A medida que las estrellas maduran, comienzan a perder algunos de los elementos recién hechos al reservorio de materia interestelar.
Lo mismo ocurre con los granos de polvo. El polvo se forma cuando los granos pueden condensarse en regiones donde el gas es denso y fresco. Un lugar donde se encuentran las condiciones adecuadas son los vientos de estrellas luminosas y frías (los gigantes rojos y supergigantes que discutimos en Las estrellas: un censo celeste). Los granos también pueden condensarse en la materia arrojada por una explosión de supernova a medida que los gases expulsados comienzan a enfriarse.
Los granos de polvo producidos por las estrellas pueden crecer aún más cuando pasan tiempo en las partes densas del medio interestelar, dentro de las nubes moleculares. En estos ambientes, los granos pueden pegarse o reunir átomos adicionales del gas que los rodea, creciendo más grandes. También facilitan la producción de otros compuestos, incluyendo algunas de las moléculas más complejas que discutimos anteriormente.
Las superficies de los granos de polvo (ver Polvo Cósmico) —que parecerían muy grandes si fueras un átomo— proporcionan “rincones y grietas” donde estos átomos pueden pegarse el tiempo suficiente para encontrar parejas y formar moléculas. (Piense en los granos de polvo como “clubes sociales interestelares” donde los átomos solitarios pueden encontrarse y formar relaciones significativas). Eventualmente, los granos de polvo se recubren con hielos. La presencia del polvo protege las moléculas dentro de las nubes de la radiación ultravioleta y los rayos cósmicos que las romperían.
Cuando finalmente comienzan a formarse estrellas dentro de la nube, calientan los granos y evaporan los hielos. La atracción gravitacional de las estrellas recién formadas también aumenta la densidad del material de nube circundante. Muchas más reacciones químicas tienen lugar en las superficies de los granos en el gas que rodea a las estrellas recién formadas, y estas áreas son donde se forman las moléculas orgánicas. Estas moléculas pueden incorporarse a los sistemas planetarios recién formados, y la Tierra primitiva puede haber sido sembrada de tal manera.
En efecto, los científicos especulan que parte del agua en la Tierra puede haber venido de granos interestelares. Observaciones recientes desde el espacio han demostrado que el agua es abundante en densas nubes interestelares. Dado que las estrellas se forman a partir de este material, el agua debe estar presente cuando los sistemas solares, incluido el nuestro, entren en existencia. El agua en nuestros océanos y lagos puede haber venido inicialmente del agua encerrada en el material rocoso que se acreció para formar la Tierra. Alternativamente, el agua puede haber sido traída a la Tierra cuando asteroides y cometas (formados a partir de la misma nube que hizo los planetas) posteriormente la impactaron. Los científicos estiman que un impacto de cometa cada mil años durante los primeros mil millones de años de la Tierra habría sido suficiente para dar cuenta del agua que vemos hoy. Por supuesto, ambas fuentes pueden haber contribuido al agua en la que ahora disfrutamos bebiendo y nadando.
Cualquier grano interestelar que se incorpore a estrellas recién formadas (en lugar de los planetas más fríos y cuerpos más pequeños a su alrededor) será destruido por sus altas temperaturas. Pero eventualmente, cada nueva generación de estrellas evolucionará para convertirse en gigantes rojos, con vientos estelares propios. Algunas de estas estrellas también se convertirán en supernovas y explotarán. Así, el proceso de reciclaje de material cósmico puede comenzar de nuevo.
Conceptos clave y resumen
La materia interestelar fluye constantemente a través de la Galaxia y cambia de una fase a otra. Al mismo tiempo, constantemente se agrega gas a la Galaxia por acreción desde el espacio extragaláctico, mientras que la masa se elimina del medio interestelar al estar encerrada en estrellas. Parte de la masa en las estrellas es, a su vez, devuelta al medio interestelar cuando esas estrellas evolucionan y mueren. En particular, los elementos pesados en el espacio interestelar se produjeron todos dentro de las estrellas, mientras que los granos de polvo se hacen en las regiones exteriores de estrellas que se han hinchado para ser gigantes. Estos elementos y granos, a su vez, pueden incorporarse luego a nuevas estrellas y sistemas planetarios que se forman a partir del medio interestelar.
Glosario
- ciclo bariónico
- el ciclo de masa dentro y fuera del medio interestelar, incluyendo la acumulación de gas del espacio intergaláctico, la pérdida de gas de regreso al espacio intergaláctico y la conversión del gas interestelar en estrellas