Fotones, sopa de partículas y nucleosíntesis

Publicado el 3 noviembre, 2020 por Rodrigo Ricardo

Cosmólogos y nuestro universo

Una de las cosas más difíciles de entender en astronomía es lo que sucedió al comienzo del Big Bang. Nadie sabe con certeza qué estaba sucediendo en el tiempo cero, pero los cosmólogos tienen una idea de lo que sucedió en las fracciones de segundo a partir de entonces. Un cosmólogo , por cierto, es un físico o astrónomo involucrado en descubrir el origen, la evolución y las propiedades del universo.

Entonces, en esta lección, observará directamente lo que los cosmólogos creen que sucedió durante las primeras respiraciones de la evolución del universo.

Fotones y sopa de partículas

En la primera décima millonésima de segundo después del Big Bang, el universo se llenó de fotones de alta energía increíblemente calientes y densos. Los fotones son paquetes de energía electromagnética que viajan a la velocidad de la luz. Quizás se pregunte a qué me refiero cuando digo que los fotones estaban calientes. Para un cosmólogo, caliente significa que tienen un espectro igual a la radiación de cuerpo negro emitida por un objeto que tiene la misma temperatura.

De todos modos, los fotones en el universo temprano eran en realidad rayos gamma, que es una forma de radiación electromagnética y, en consecuencia, tales fotones eran de muy alta energía debido a la naturaleza de muy corta longitud de onda y alta frecuencia de los rayos gamma.

Como resultado de esta alta energía, dos fotones podrían colisionar para convertirse en dos partículas distintas en un proceso llamado producción de pares , la creación de una partícula y una antipartícula a partir de rayos gamma. Una partícula que se crea es materia normal, y la otra partícula es antimateria , un tipo de materia, compuesta de antipartículas, que aniquilan la materia ordinaria correspondiente al contacto.

Por ejemplo, la materia normal tendría la forma de un electrón, mientras que su partícula de antimateria sería un electrón positivo, la antipartícula del electrón, llamada positrón (a veces también llamado antielectrón). De manera similar, existen protones y antiprotones, neutrones y antineutrones, y así sucesivamente.

En cualquier caso, un microsegundo después del Big Bang, los fotones de rayos gamma tenían suficiente energía para producir protones, neutrones, electrones y sus respectivas antipartículas. Cuando tal partícula y su antipartícula chocan, se aniquilan entre sí y convierten su masa en energía, la energía de dos rayos gamma. Esto significa que el universo primitivo, de 1 microsegundo de edad, era una sopa dinámica de materia y radiación que se movía de fotones a partículas y luego a fotones nuevamente.

Refrescarse

Mientras todo esto sucedía, el universo se estaba expandiendo y, como resultado, la temperatura de la radiación descendió. La caída de temperatura provocó que la alta energía de los fotones también descendiera. Esto significó que los rayos gamma ya no tenían suficiente energía para producir partículas pesadas como protones y neutrones.

Ahora, uno pensaría que, como resultado, todos los protones y neutrones simplemente se habrían combinado con sus antipartículas y se habrían destruido a sí mismos. Esto significaría que no habría materia y, por lo tanto, no habría sol, ni Tierra, ni tú. Sin embargo, por alguna razón desconocida, hubo un pequeño exceso de partículas normales. ¡Y agradece también a tus estrellas de la suerte! Porque no habría estrellas a las que agradecer si ese no fuera el caso. La antimateria es muy rara hoy en día.

Mientras que en aproximadamente 0,0001 segundos, los fotones de rayos gamma ya no tenían suficiente energía para producir protones y neutrones, aún podían producir electrones y positrones porque los dos últimos son mucho menos masivos que los protones y neutrones. Así como sabes que se necesita mucha energía para producir algo masivo, como un barco oceánico, también sabes que se necesita mucha menos energía para producir algo mucho menos masivo, como un barco de juguete. Lo mismo aquí: los fotones de rayos gamma tenían menos energía, pero aún lo suficiente para producir la materia menos masiva, los electrones y positrones. Pero cuando el reloj marcó un minuto después del Big Bang, el universo en constante expansión se había enfriado tanto que los fotones ya no tenían suficiente energía para producir electrones o positrones.

Al igual que con los protones y neutrones, la mayoría de los electrones y positrones se combinaron para formar fotones pero, una vez más, un pequeño exceso (aproximadamente uno en mil millones) de electrones sobrevivió de alguna manera. En el gran esquema de las cosas, lo que todo esto debería significar para ti es que todos los protones, neutrones y electrones que componen nuestro universo fueron creados en el primer minuto después del Big Bang.

Nucleosíntesis

Aproximadamente dos minutos después del Big Bang, el universo se enfrió lo suficiente como para permitir que los protones y neutrones se unieran y formaran deuterones , núcleos de deuterio (hidrógeno pesado) que constan de un protón y un neutrón. Es decir, había comenzado un proceso de nucleosíntesis, la formación de nuevos núcleos atómicos.

Los deuterones pueden reaccionar fácilmente con los protones en reacciones nucleares de forma escalonada para eventualmente formar núcleos cada vez más masivos, a saber, helio y una pequeña cantidad de litio (y quizás berilio). Puede pensar en esto como tomar una bola de plastilina y hacer puré en otra bola de plastilina de color para hacer algo más masivo y nuevo.

Pero aproximadamente en el minuto 30, el universo se había enfriado tanto, las reacciones nucleares se detuvieron por completo y, en masa, el 75% del universo primitivo estaba hecho de hidrógeno y el resto estaba hecho casi en su totalidad de helio. Básicamente, el universo se había vuelto tan frío que la plastilina se congeló y sabes que no puedes triturar plastilina congelada. Entonces, ya no se hicieron cosas nuevas como consecuencia directa del Big Bang. Esta composición, principalmente hidrógeno y el resto helio, es de lo que sabemos que están hechas las estrellas más antiguas, lo cual tiene sentido ya que es la única materia con la que tuvieron que trabajar para formarse.

Durante un período de tiempo mucho más largo, estas estrellas produjeron otros átomos dentro de ellas, en una versión mucho más lenta de la nucleosíntesis, para crear nuevos elementos con pesos atómicos mayores que el litio que ayudaron a nuestro sol, la Tierra y su propio cuerpo a eventualmente llegará a existir. Básicamente, las estrellas calientes son como ollas en una estufa donde se combinan ingredientes como hidrógeno y helio para hacer cosas nuevas y sabrosas.

Resumen de la lección

Esta fue una lección difícil, así que cocinemos nuestro propio resumen aquí para hacer las cosas un poco más fáciles para todos. La primera cosa fácil es la definición de cosmólogo , físico o astrónomo involucrado en averiguar el origen, la evolución y las propiedades del universo. De eso se trata esta lección: el origen, la evolución y las propiedades de nuestro universo justo después del Big Bang.

Al principio, el universo estaba lleno de fotones densos y calientes. Los fotones son paquetes de energía electromagnética que viajan a la velocidad de la luz. Eran fotones de rayos gamma de alta energía que chocaban para convertirse en dos partículas distintas en un proceso llamado producción de pares , la creación de una partícula y una antipartícula a partir de rayos gamma.

Una partícula que se crea es materia normal, y la otra partícula es antimateria , un tipo de materia, compuesta de antipartículas, que aniquilan la materia ordinaria correspondiente al contacto. Por ejemplo, la materia normal tendría la forma de un electrón, mientras que su partícula de antimateria sería un electrón positivo, la antipartícula del electrón, llamada positrón (a veces también llamado antielectrón).

A medida que el universo se expandió y enfrió a partir de entonces, los protones y neutrones ya no se pudieron fabricar porque los fotones de rayos gamma no tenían suficiente energía. Finalmente, tampoco se pudieron producir más electrones por la misma razón.

El universo finalmente se enfrió lo suficiente como para que pudieran formarse deuterones , núcleos de deuterio (hidrógeno pesado) que constan de un protón y un neutrón. Los deuterones podrían luego combinarse con los protones para iniciar reacciones nucleares que formaron núcleos atómicos más pesados, como el helio y el litio, en un proceso conocido como nucleosíntesis.

El resto de los elementos, más pesados ​​que el litio, se fabricaron más tarde dentro de las estrellas en una versión de nucleosíntesis más lenta, similar a una olla a presión.

Los resultados del aprendizaje

Tendrá la capacidad de hacer lo siguiente después de ver esta lección en video:

  • Definir cosmólogo, fotones, antimateria, positrón y deuterón
  • Describir los procesos de producción de pares y nucleosíntesis.
  • Explique lo que sucedió después del Big Bang usando estos procesos y el período de enfriamiento entre ellos.

Articulos relacionados