Enanas Blancas: La Eterna
Batalla entre Gravedad y Presión
Descubiertas en el siglo XIX, las enanas blancas son la fase final de la
vida de la mayoría de las estrellas, entre ellas nuestro propio Sol. Son
la muestra de un sorprendente malabarismo cósmico: ¿Cómo algo del tamaño
del Sol puede comprimirse en algo del tamaño de la tierra, un millón de
veces más pequeño?. Su malabarista es la gravedad.
De
las cuatro fuerzas que controlan el Universo, la gravedad es la más débil.
Se necesita la gravedad conjunta de toda la Tierra para evitar que el
papel sobre el que escribimos flote por el aire, en cambio un bolígrafo
cargado eléctricamente tras frotarlo en una ropa de lana puede vencer
toda esa gravedad conjunta y levantar la hoja. Sin embargo, la fuerza
electromagnética no es la predominante en el Universo, porque existen
cargas positivas capaces de compensar las negativas. Las otras dos fuerzas
(nuclear fuerte y débil) son también más enérgicas. De hecho, la
fuerte es 1038 veces más fuerte que la gravedad, pero solo actúan
a distancias nucleares.
La
débil gravedad, como actúa a grandes distancias y no tiene una
contrapartida repelente, es la más importante del cosmos. Es la
responsable de que las manzanas caigan y los planetas giren. También es
el factor que determina la vida de las estrellas, que libran una continua
batalla contra la gravedad. Esta fuerza tiende a que los cuerpos ocupen el
menor espacio posible, de ahí la redondez de la Tierra. Toda la materia
quiere acercase al centro, y no baja más porque ya hay materia muy pesada
(el núcleo y las capas geológicas), que ocupa todo le espacio
disponible. Afortunadamente, la autogravedad (gravedad creada por el
cuerpo) no es lo suficientemente fuerte para romper los enlaces
moleculares y comprimir un poco más el Planeta.
Las
estrellas no contienen materia sólida en el sentido clásico del término.
Aunque su densidad es en zonas mucho más elevada que la de cualquier sólido
conocido, la enorme temperatura hace que siga siendo gas, muy particular,
llamado plasma. Para evitar que la gravedad la aplaste, la estrella
apuntala su estructura con un mecanismo distinto al de los planetas sólidos:
la presión de este gas hacia fuera, ya que el gas siempre tiende a ocupar
el mayor espacio posible.
Como
la autogravedad de una estrella es enorme por su gran masa, la presión
resistente debe ser muy fuerte. La presión del gas está relacionada con
su temperatura, que en las nubes interestelares es de -263º C. Aún a una
temperatura tan baja, los átomos de hidrógeno, su principal
constituyente, se mueven a una velocidad de 1800 Km/h. Estas nubes son
estables, es decir, gravedad y presión se anulan. Un accidente como la
explosión de una supernova cercana por ejemplo, puede romper este
equilibrio e iniciar el colapso gravitatorio. Entonces, los átomos
comienzan a caer hacia el centro de la nube. Su velocidad y temperatura
aumentan en un intento de contener la caída de la materia, de tal forma
que la energía de la gravedad se convierta, así, en térmica.
El
calor generado escapa entre los átomos y se radia al exterior. La nube se
convierte en una protoestrella que brilla con luz rojiza. Si su masa o
cantidad de átomos es muy pequeña, la presión generada puede ser
suficiente para detener el colapso (sobre todo cuando la densidad del gas
es suficiente para impedir que el calor escape). En ese caso, la
protoestrella se enfría gradualmente y se contrae hasta alcanzar una
posición de equilibrio, convirtiéndose en una enana marrón, una
estrella abortada. El planeta Júpiter podría considerarse una enana marrón.
Sin embargo, si la masa es superior a 0,08 masas solares, la estrella
seguirá colapsando, aumentando su temperatura central progresivamente.
La
estrella propiamente dicha nace en el momento que su núcleo reúne las
condiciones de temperatura y densidad que desencadenen la fusión de hidrógeno
en helio. La estrella ha ingresado entonces en la secuencia principal. La
duración de la etapa de protoestrella, desde el comienzo del colapso
hasta la fusión de hidrógeno, está en función de la cantidad de
materia de la nube inicial. Si contenía, por ejemplo, quince masas
solares, la fase durará unos 60.000 años; si en cambio era equivalente a
0,1 veces la solar, la contracción se prolongará cientos de millones de
años.
Una
vez en la secuencia principal, la estrella tiene asegurada una vida que
será tanto más larga cuanto menor sea la cantidad de materia que la
forma. Esto se explica, porque par mantener el equilibrio presión –
gravedad, se necesita crear energía que caliente el gas hasta apuntalar
la estrella. Cuanto más cantidad de materia haya, máspresión habrá que oponer a la gravedad y habrá que crear más
energía. Al crear la estrella su energía convirtiendo hidrógeno en
helio (fusión) y dado que la cantidad de hidrógeno es limitada, el
tiempo de esta fusión es, a su vez, restringido. Una estrella grande,
aunque posee más hidrógeno, también lo consume con mayor rapidez. Ambos
términos no se compensan, de manera que si una estrella de la masa del
Sol puede vivir hasta 10.000 millones de años de su hidrógeno, una
estrellas con 25 masas solares consumirá su hidrógeno en siete millones
de años.
¿qué
pasa cuando se acaba el hidrógeno del núcleo? La producción de energía
que sostiene la estrella disminuye, la gravedad vuelve a hacerse
preponderante y la estrella comienza a contraerse. El helio, las cenizas
de la fusión nuclear, cae hacia el centro y como en el caso de la nube
originaria, la energía gravitatoria se convierte en calor y desencadena
la fusión nuclear en las capas externas, en las que aún queda hidrógeno.
La temperatura y la presión así generada en una zona alejada del centro,
donde la cantidad de materia es relativamente pequeña, hace preponderante
la presión: la estrella se expande hasta que la gravedad vuelve a
equilibrarse. La estrella es una gigante roja, enorme y muy poco densa. A
partir de ahora, nos centramos en la vida de las estrellas cuya masa sea
similar a la del Sol (entre 3 ó 4 masas solares), fuera de este lapso
siguen una evolución distinta.
La
expansión de las capas superiores no devuelve el equilibrio al núcleo. A
medida que se contrae, la temperatura aumenta intentando igualarla. Al
llegar a 100 millones de grados, el helio explosiona, liberando en un
segundo tanta energía como una galaxia y comienza a fusionarse en carbono
y oxígeno, a producir energía: la presión iguala a la gravedad y la
compresión se detiene. Sin embargo, el helio se quema mucho más rápido
que el hidrógeno. Cuando se acaba, se produce un proceso similar al
anterior: un núcleo de carbono – oxígeno en contracción y una capa de
helio en expansión. Pero en esta ocasión, la temperatura que alcanza el
núcleo no es suficiente para desencadenar la fusión de carbono. Así,
por un lado la gravedad no puede detener las capas exteriores, que se
pierden en el espacio formando una nebulosa planetaria. Por otra, la presión
no puede detener la compresión del núcleo que al quedar desnudo se
convierte en una Enana Blanca.
Expliquemos
ahora que los electrones de un núcleo sólo pueden ocupar determinadas
posiciones. Es como una escalera en la que cada escalón solo tiene sitio
para dos electrones y donde no se puede ocupar los sitios entre escalones.
En situaciones de densidad muy alta, los escalones se llenan rápidamente.
El gas se encuentra entonces degenerado y presenta dos importantes
características: primero, es extremadamente consistente, y para
comprimirlo hay que aportarle gigantescas cantidades de energía. Segundo,
la presión que ejerce no depende de la temperatura, sino de la velocidad
de los electrones: la temperatura expresa la velocidad de todas las partículas
y si añadimos calor al gas degenerado, la mayoría se empleará en mover
los núcleos, con lo que obtendremos una presión mayor.
Volvamos
de nuevo a nuestra estrella moribunda. Perdidas las capas superiores, solo
nos queda un pequeño núcleo de carbono, con una fina capa de hidrógeno
y helio, que pierde calor rápidamente y no genera energía. La contracción
es veloz e inexorable. La densidad aumenta hasta que la materia se
convierte en degenerada. Tenemos una Enana Blanca. Se ha reestablecido de
nuevo el equilibrio presión – gravedad, pero por un mecanismo distinto
al anterior. No hay un flujo de energía del interior al exterior: la
estrella está apuntalada por la presión del gas degenerado, por la
imposibilidad de empaquetar sus electrones en un espacio más reducido.
Pese
a ello, la gravedad ha obtenido una importante victoria. La estrella, que
había alcanzado un diámetro de un millón y medio de kilómetros en su
etapa de secuencia principal ocupa ahora un volumen un millón trescientos
mil veces menor y tiene el tamaño de la Tierra. En ese volumen se
comprime una importante parte de la materia inicial (entre 150.000 y
500.000 masas terrestres), lo que implica que su densidad es muy elevada,
de unas tres toneladas por cm3. Un cubo de materia de Enana
Blanca pesa lo mismo que un transatlántico.
La
Nebulosa del Anillo (M57) es un nebulosa planetaria que se encuentra en la
constelación de La Lira. La estrella central se está contrayendo camino
de convertirse en una Enana Blanca.
No
toda la materia de la Enana Blanca está degenerada. Una parte, la más
extrema, sigue siendo normal. La materia degenerada está rodeada por una
corteza de unos 50 kilómetros de ancho, con dos partes, una rígida red
cristalina de átomos entrelazados en la capa inferior, y por encima una
espesa atmósfera de hidrógeno y helio muy calientes, ya que la gravedad
en la superficie de una Enana Blanca es de unas 200.000 veces más intensa
que sobre la Tierra, comprenderemos que esta capa es muy delgada. Si en
nuestro planeta la gravedad fuera similar, los ascensores tendrían que
llevar botellas de oxígeno.
Como
dijimos, la Enana Blanca no genera energía (y en ese sentido no es una
estrella). Sin embargo, está caliente: en su superficie, la temperatura
puede alcanzar los 40.000o K. Este calor es producto de la
irradiación de la energía acumulada en su interior durante su etapa de
contracción. La materia degenerada es muy buen conductor del calor, por
lo que este fluye sin dificultad hacia el exterior. Pese a ello, y debido
a la gran cantidad de energía que contiene y a la pequeñez de la
superficie que irradia, una Enana Blanca tardará miles de millones de años
en perder todo su calor interno. La contracción, como dijimos, está
totalmente detenida por la presión de los electrones, por lo que al cabo
de ese tiempo se hará oscura y fría, convirtiéndose en una Enana Negra
(objeto frío y compacto).
Las
estrellas de menor masa que el Sol, las Enanas Rojas, también acaban como
Enanas Blancas, siguiendo una evolución distinta de la expuesta. Como
esta evolución precisa mucho más tiempo, la gran mayoría de estas
enanas deben ser restos de estrellas de tipo solar. De las 56 estrellas más
cercanas, cinco son Enanas Blancas. La más cercana y primera en
descubrirse, es SIRIO B, compañera de la estrella más brillante del
cielo. Unas 10.000 veces menos brillante que su compañera, ésta se
descubrió al analizar el movimiento propio de SIRIO A que trazaba un
bucle en el espacio, como si a su alrededor orbitara un objeto muy pesado
e invisible.
Debido
a su elevada densidad, las Enanas Blancas pertenecen a la clase de objetos
conocidos como compactos, como los agujeros negros y las estrellas de
neutrones. Cualquier Enana Blanca puede convertirse en uno de ellos. Sólo
necesita la suficiente masa para superar 1,4 masas solares. Cuando una
Enana Blanca tiene esa cantidad de materia, el equilibrio gravedad –
presión de la materia degenerada se rompe. La gravedad es lo
suficientemente fuerte como para aplastar los electrones contra los núcleos.
Allí se unen a los protones para crear neutrones, partículas pesadas sin
carga eléctrica. Este gas neutrónico es comprimido hasta que se hace
degenerado y caliente, y se establece un nuevo equilibrio. La estrella
tiene un radio entre 10 y 20 kilómetros y 1 cm3 pesaría en la
Tierra 1.000 toneladas!.
Gira
a toda velocidad (más de 1.000 veces por segundo) y tiene un poderoso
campo magnético: es un púlsar o estrella de neutrones.
¿Qué
ocurriría si a un púlsar le añadimos materia? Si nos entretenemos en
arrojarle una cantidad que haga su masa superior a las 3 masas solares, el
equilibrio gravedad – presión de neutrones degenerados se romperá y
comenzará de nuevo la contracción ... sólo que ahora ninguna fuerza en
el Universo podrá detenerla. Pronto alcanzaría el tamaño de un electrón
y después ... después sería un objeto de diámetro cero y densidad
infinita, una singularidad alrededor de la cual hay un agujero negro, ni
siquiera la hábil luz podrá escapar de él: DE AQUÍ LA DEFINITIVA
VICTORIA DE LA GRAVEDAD SOBRE LA MATERIA.
La
Nebulosa del Anillo (M57) es un nebulosa planetaria que se encuentra en la
constelación de La Lira. La estrella central se está contrayendo camino
de convertirse en una Enana Blanca.