Dos millones para el físico valenciano que investiga qué ocurre dentro de las estrellas

César Domingo es astrofísico. Eso quiere decir que, al mirar al cielo, ve mucho más que los puntos brillantes que vemos la mayoría. Para él, las estrellas son una fuente de información muy valiosa sobre cómo se formaron los elementos que hoy dan forma a nuestro mundo. Le interesan especialmente los elementos pesados, los que pesan más que el hierro (el oro, el plomo, la plata o el uranio entre otros), que no son muy abundantes pero sí fundamentales para que nuestro planeta sea como es.

Los elementos que estudiamos en las clases de química, los que están en la tabla periódica y forman los materiales que nos rodean, provienen del interior de las estrellas, una suerte de 'cocina estelar' en el que a base de reacciones nucleares se generan los átomos de helio, de carbono o de oxígeno.

Domingo, investigador del Instituto de Física Corpuscular, un centro mixto del CSIC y de la Universidad de Valencia, explica que el mecanismo por el que se producen los elementos ligeros (los que van desde el hidrógeno hasta el hierro) es bien conocido y está muy estudiado. "Lo hacen por reacciones de fusión: debido a la temperatura a la que están los núcleos en el interior de las estrellas, la energía térmica permite fusionar unos núcleos con otros".

El caso de los elementos pesados es diferente. En el caso de los elementos que se encuentran a continuación del hierro, la carga eléctrica positiva de los núcleos impide que la temperatura en el interior de las estrellas fusione los núcleos. "Se trata de una nueva fase de la nucleosíntesis que no se puede explicar con las reacciones de fusión convencionales".

¿Cómo se forman los elementos pesados?

Ya en 1957, los físicos propusieron otro mecanismo distinto en el que la base son los neutrones, que inducen la nucleosíntesis de los elementos más pesados. Esos neutrones, que actuaban en este mecanismo, aparecen en dos momentos distintos de la evolución de las estrellas: en fases explsivas, como cuando una estrella masiva colapsa en una supernova y en el interior de las estrellas gigantes rojas. Es en estas últimas donde, como consecuencia de las reacciones de fusión que dan como resultado los elementos ligeros, se producen también neutrones que después participan en la formación de los elementos pesados.

Todo lo que tenemos aquí, el plomo, el hierro, el oro, el uranio... se ha formado en esas fases de la evolución estelar de las que hablamos

"La composición química de nuestro planeta y del sistema solar tiene la firma de los dos procesos, de todas las generaciones de estrellas que han ido evolucionando y enriqueciendo en elementos pesados la nube interestelar a partir de la cual se formó el sistema solar. Todo lo que tenemos aquí, el plomo, el hierro, el oro, el uranio... se ha formado en esas fases de la evolución estelar de las que hablamos".

Es la última, la que ocurre dentro de las gigantes rojas, la que interesa a Domingo. Y no solo a él. El Consejo de Investigación Europeo le ha concedido una ayuda Consolidator Grant de casi dos millones de euros para llevar a cabo su proyecto: reproducir y medir en un laboratorio lo que ocurre dentro de esas estrellas y cómo se producen esos elementos pesados.

Para hacerlo tendrá que pasar una temporada en el CERN y utilizar parte de su complejo de aceleradores. Para recrear las reacciones que ocurren en las estrellas, tendrá que emplear un intenso haz de protones y dirigirlo hacia un gran bloque de plomo. Esto produce una gran cantidad de partículas, entre ellas muchísimos neutrones. "Así obtenemos un haz de neutrones con las energías que se encuentran en el medio estelar y los haremos pasar por un largo túnel de 200 metros hasta el punto en el que situaremos nuestra muestra, el isótopo cuya síntesis queremos recrear en el laboratorio".

Las ventajas y dificultades del selenio 79

Esa muestra es un ingrediente clave en esta receta estelar. Domingo empleará el isótopo selenio 79, un elemento radiactivo y por lo tanto inestable. Esto es interesante para su investigación porque la nucleosíntesis que se produce en torno a este tipo de núcleos inestables es especialemente sensible a las condiciones físicas del medio estelar.

Por lo tanto, midiendo esta reacción es posible extraer información de primera mano sobre las características delmedio donde ha tenido lugar la nucleosíntesis de esos elementos pesados. En concreto, la reacción de captura de neutrones en selenio 79 es única por su sensibilidad a la temperatura del medio, de forma que consiguiendo reproducir y medir esa reacción en el laboratorio se puede inferir cuál es la temperatura en el interior de este tipo de estrellas. "Esto es importante porque con una sonda podemos medir la temperatura de la superficie de una estrella, pero no la de su interior", explica.

Como consecuencia, con este experimento puede observar un caso único de una etapa en la evolución de las estrellas que es sensible a las condiciones térmicas del medio en que se está produciendo, de forma que sirve como un termómetro del interior de las estrellas gigantes rojas.

Claro que conseguir ese selenio no es fácil. La mayoría de los elementos de la tabla periódica tienen un conjunto de isótopos estables, es decir, que se mantienen como tal en el tiempo. Otros tienen una estructura inestable, en las que un protón se termina transformando en un neutrón o al revés. Según lo inestable de ese núcleo, se desintegrará antes o después.

El selenio 79 es un isótopo inestable y como tal no existe en la naturaleza, no se puede extraer de las rocas o de una mina. Así que el equipo de Domingo partirá de una cantidad de selenio 78, lo depositará en un reactor nuclear durante unos meses y a partir de ahí obtendrá el selenio 79. La ventaja es que su vida es de 300.000 años. La desventaja es que la cantidad de átomos útiles será muy pequeña, apenas unos miligramos. "A nivel tecnológico el desafío del proyecto es crear sistemas de detección de radiación que permitan tomar medidas en muestras tan pequeñas".

Física médica y residuos radiactivos

Casi dos millones de euros y cinco años de trabajo por delante que, de tener éxito, pueden tener impacto en distintas aplicaciones y campos. Por un lado, Domingo menciona el de la física médica. "Existen investigaciones para tratar los tumores con hadrones, que aún están en fases tempranas. Los sensores que vamos a desarrollar podrían ayudar a monitorizar las dosis que se aplican a los pacientes".

Hay proyectos que consisten en transmutar esos residuos radiactivos en otros estables o con vidas más cortas. Hacen lo mismo que queremos hacer nosotros

Por otro lado, vuelve a hablar del selenio 79. Este isótopo es un residuo habitual de los reactores nucleares y uno de los mayores contribuyentes a su radiotoxicidad por el hecho de que tarda 300.000 años en desintegrarse. "Actualmente hay proyectos que consisten en transmutar esos residuos radiactivos en otros estables o con vidas más cortas. Lo que hacen es lo mismo que queremos hacer nosotros: inducir reacciones con neutrones para transmutarlos en isótopos menos peligrosos".

Pero esa es otra historia. De momento este físico valenciano quiere responder a una pregunta mucho más sencilla y básica: ¿de dónde vienen los elementos que forman el universo?