Una histórica detección de neutrinos revela el último secreto de la fusión nuclear en el Sol

una historica deteccion de neutrinos revela el ultimo secreto de la fusion nuclear en el sol
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Una histórica detección de neutrinos revela el último secreto de la fusión nuclear en el Sol

La superficie del Sol, vista por el satélite Solar Dynamics Observatory en el rango de la luz ultravioleta en 2015

La energía química de la que nos alimentamos y que necesitamos para respirar, movernos o pensar procede del Sol. La energía que hace crecer las plantas y se libera en un incendio forestal, procede del Sol. La luz que ilumina los días y que mueve el viento, las nubes y las estaciones, procede del Sol. El Sol es una estrella a tan solo ocho minutos y medio luz de la Tierra que acumula el 99,8% de la masa del sistema solar. También es un orbe de unos 1,4 millones de kilómetros de diámetro que funciona como el más perfecto reactor nuclear de fusión que se pueda concebir.

A pesar de lo profundamente que se ha estudiado, todavía hay interrogantes sobre algunas de las reacciones que ocurren en el núcleo de la estrella, un opaco corazón que se encuentra a unos 15 millones de grados de temperatura. Conocer estas reacciones es muy relevante tanto para entender la materia en condiciones extremas como la «vida íntima» de las otras estrellas de la galaxia.

Un estudio recientemente presentado en la conferencia virtual Neutrino 2020, que todavía no ha sido revisado por pares, ha anunciado un importante descubrimiento sobre lo que ocurre en el interior del Sol y que tiene relevancia tanto en el campo de la Física como el de la Astrofísica, según ha informado « Nature.com». Científicos del experimento Borexino, en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en Italia, han detectado el último tipo de neutrino solar que quedaba por encontrar para demostrar experimentalmente todas las reacciones nucleares que ocurren en el interior de la estrella.

La última pieza del puzzle

El hallazgo, que se ha conseguido con un nivel de significación de cinco sigmas (lo que en Física equivale a un descubrimiento), confirma una hipótesis propuesta en 1938 y demuestra que dentro de la estrella ocurren «reacciones nucleares CNO», en las que hay implicados átomos de carbono (C), nitrógeno (N) y oxígeno (O). Lo más interesante es que esto aporta mucha información sobre la composición química y la temperatura interna del Sol.

«Este descubrimiento coloca la última pieza principal que faltaba para confirmar que comprendemos cómo funciona el Sol y, consecuentemente, muchas otras estrellas»

«Este descubrimiento coloca la última pieza principal que faltaba para confirmar que comprendemos cómo funciona el Sol y, consecuentemente, muchas otras estrellas», ha explicado a ABC David Bravo Berguño, físico experimental que ha trabajado durante una década en el experimento Borexino. En concreto: «Esta es la prueba experimental de un segundo ciclo hipotético de reacciones nucleares alimentando al Sol», ha dicho a este periódico Gioacchino Ranucci, co-portavoz de este experimento. «Estas reacciones están basadas en carbono, nitrógeno y oxígeno, y ahora sabemos que realmente existen y están ocurriendo, ya que hemos detectado los neutrinos que proceden de ellas».

Una histórica detección de neutrinos revela el último secreto de la fusión nuclear en el SolEl experimento Borexino. Es un centelleador, un detector que capta los fotones que libera la colisión de neutrinos con las 300 toneladas de líquido que se encuentran en su interiorLos neutrinos son unas partículas que fueron detectadas de forma directa por primera vez en 1955. Son minúsculas, apenas tienen masa, viajan a la velocidad de la luz y casi no interaccionan con la materia, por lo que nos atraviesan limpiamente, en su camino desde sus fuentes naturales, como estrellas lejanas, supernovas y, sobre todo, el Sol. El bombardeo es incesante: cada segundo nos atraviesan 65.000 millones de ellas por centímetro cuadrado, pero solo en un puñado de ocasiones un neutrino interacciona con los átomos que conforman nuestra materia. Por eso son muy difíciles de detectar.

Una ventana al interior del Sol

El experimento Borexino está especializado precisamente en detectar un amplio rango de neutrinos. Tal como ha explicado David Bravo Berguño: «Este experimento es de los pocos detectores en funcionamiento que permite discernir los diferentes “colores” o energías de los neutrinos y ver su arcoiris completo». Como los neutrinos «contienen» información sobre su origen, gracias a esta «radiografía a color» se puede estudiar qué reacciones de fusión se están produciendo en el interior del Sol.

«Las reacciones CNO son como «una ventana adicional para estudiar la física del interior del Sol»

Según Concepción González, Profesora de Investigacion ICREA en la Universidad de Barcelona y Profesora de la Universidad de Stony Brook (en EE.UU.), esos neutrinos producidos en las reacciones CNO son como «una ventana adicional para estudiar la física del interior del Sol». Además, dan información sobre lo que ocurre en su corazón casi en tiempo real: mientras que los fotones generados en el interior del Sol tardan entre 10.000 y 100.000 años en llegar a la Tierra, los neutrinos solo tardan ocho minutos y medio.

Una histórica detección de neutrinos revela el último secreto de la fusión nuclear en el SolEsquema de algunas de las partes del SolEn 2011 el experimento Borexino fue el primero en detectar los neutrinos procedentes de las transformaciones dominantes entre las reacciones de fusión nuclear mayoritarias del Sol: las reacciones de la cadena pp (protón-protón), que transforman átomos de hidrógeno en átomos de helio y que generan alrededor del 99% de la energía de la estrella. Y en 2018, midió por primera vez todos los flujos de estos neutrinos. Pero faltaban las reacciones de fusión CNO (que implican átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno, con un papel de catalizadores o facilitadores de las reacciones), predichas hace 92 años pero nunca observadas directamente.

La huella de la vida y muerte de las estrellas

Ahora, haber logrado observar pruebas de estas reacciones CNO no solo completa el puzzle de la fusión del Sol, sino que además «es la primera evidencia de la composición química de su interior», en opinión de Aldo Serenelli, astrofísico especialista en estrellas y Científico Titular en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC).

En concreto, lo interesante es que este flujo de neutrinos refleja la «abundancia de carbono y nitrógeno sumada en el núcleo», según Serenelli. Esto está vinculado con la metalicidad, un parámetro de las estrellas que indica la abundancia de átomos más pesados que el hidrógeno y el helio, y que contiene información crucial sobre su origen y evolución.

«Ahora mismo tenemos un problema porque existe un fuerte debate en la comunidad sobre la composición química del Sol», ha explicado Héctor Socas-Navarro, astrofísico solar del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). «Es lo que se ha venido a llamar el “problema del modelo solar” o, en un caso particular, “la crisis del oxígeno solar”. Estos neutrinos podrían zanjar la discusión porque son muy sensibles a la composición solar».

Una histórica detección de neutrinos revela el último secreto de la fusión nuclear en el SolRepresentación de una estrella gigante roja. Expulsa parte de su envuelta y brilla gracias a reacciones de fusión nuclear de tipo CNO, que en el Sol producen una mínima parte de la energíaEl debate es saber cuán abundantes eran y son en el Sol los átomos más pesados que el hidrógeno y el helio y que, en gran medida, provienen de estrellas que murieron en el pasado. En palabras de David Bravo Berguño, esas reacciones CNO «utilizan las cenizas de otras estrellas, entre las que está el carbono, el elemento en el que se basa la vida, como mediador para generar su energía». Por eso, todo esto, en su opinión, «afecta directamente a cómo entendemos la evolución estelar en el Universo en general y con ella la formación planetaria y la abundancia de elementos aptos para la vida».

«(Todo esto) afecta directamente a cómo entendemos la evolución estelar en el Universo en general y con ella la formación planetaria y la abundancia de elementos aptos para la vida»

Y no solo eso. Aunque estas reacciones CNO apenas produzcan el 1% de la energía del Sol, en otras estrellas son la forma mayoritaria por la que brillan. El ciclo CNO es el que hace brillar tanto a las estrellas que tienen una masa un 20 o un 30 % mayor que el Sol como a aquellas que ya están muriendo y se deshacen en capas que arrancan reacciones de fusión nuclear.

El lugar más puro de la Tierra

Todas estas observaciones son resultado de un logro tecnológico sin igual. Borexino es el nombre de un experimento en el que los científicos han colocado 2.212 detectores en el interior de un enorme balón de nylon, rellenado con casi 300 toneladas de un hidrocarburo líquido muy similar a la gasolina. Este detector es un centelleador y, como tal, está especializado en captar los fotones emitidos cuando los neutrinos chocan con los electrones de los átomos de los hidrocarburos.

Rastrear los neutrinos procedentes de las reacciones CNO ha obligado a investigar unas partículas de baja energía extremadamente difíciles de detectar: «Principalmente, el problema es que toda la radioactividad natural en la Tierra produce también neutrinos con energías similares», ha explicado Aldo Serenelli.

Una histórica detección de neutrinos revela el último secreto de la fusión nuclear en el SolEsquema del experimento Borexino. Los detectores captan los fotones liberados cuando un neutrino choca con los hidrocarburos de los que está relleno el tanque. Una capa externa de agua amortigua la llegada de energía del exterior que interfiera con las observacionesPor eso, en primer lugar, los científicos han trabajado durante más de una década para eliminar todo el posible ruido de fondo: «Probablemente Borexino es, desde el punto de vista del nivel de radioactividad, el lugar más puro de la Tierra, y con mucha diferencia», en opinión del astrofísico.

El problema es que cualquier material tiene una radiactividad de fondo: «La radiación cósmica, el potasio de los plátanos, el granito de las encimeras… Y los materiales y componentes de Borexino también contienen su propia radiactividad», ha dicho David Bravo Berguño.

«Todos los componentes sólidos internos fueron también sometidos a selección estricta de materiales, ya naturalmente poco radiactivos, y a lavados muy exigentes para evitar emanaciones», ha explicado el investigador. Incluso así, se detectó una contaminación causada por la presencia de plomo-210 radiactivo pegado al nylon y se encontró polonio-210 que, al parecer, fue incorporado por bacterias que lo procesaron en la red de tuberías.

«Probablemente Borexino es, desde el punto de vista del nivel de radioactividad, el lugar más puro de la Tierra, y con mucha diferencia»

Además de eso, Borexino esté diseñado en capas de cebolla: «Situado bajo una montaña, con varios kilómetros de roca en todas direcciones, (…) con el detector rodeado por un tanque de agua para filtrar emisiones radiactivas de la roca (…). Y, una vez dentro del detector, el hidrocarburo está dividido en tres sectores concéntricos separados por globos de nylon ultrafinos, para filtrar las ligerísimas emanaciones», ha enumerado este experto.

Todo esto ha hecho posible detectar unos neutrinos procedentes del Sol cuya señal es extremadamente débil: 10.000 millones de veces menor que la emitida por la radiactividad natural del agua potable. Por eso, en opinión de David Bravo: «Extraer la señal de los neutrinos solares en Borexino es como distinguir el canto de un solo pájaro de una grabación del sonido ambiente en un aeropuerto».

La vida útil de este detector llegará a su fin a finales de este año, después de haber perdido muchos de sus detectores y de que grupos ecologistas hayan forzado su cierre por la presencia de hidrocarburos en las proximidades del acuífero del macizo del Gran Sasso. Le sucederá JUNO, un detector emplazado en China que tendrá un volumen 70 veces mayor y que estará mas centrado en estudiar los neutrinos de reactores nucleares, con vistas a estudiar sus características básicas, como la masa, y que también podrá estudiar los procedentes de próximas supernovas y los que se producen en el interior del planeta.

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