Los primeros elementos
Los primeros tres elementos son hidrógeno, helio y litio, en orden creciente de peso y complejidad. Sus núcleos tienen uno, dos y tres protones, respectivamente. Sus símbolos químicos internacionales son H, He y Li.
Hay tres tipos de hidrógeno, llamados hidrógeno (ordinario), deuterio y tritio, en orden creciente de masa y decreciente de abundancia. El núcleo del hidrógeno ordinario consta de un solo protón. El deuterio tiene un neutrón además de un protón. El tritio tiene dos neutrones con su protón.
Los primeros tres elementos son hidrógeno, helio y litio, en orden creciente de peso y complejidad. Sus núcleos tienen uno, dos y tres protones, respectivamente. Sus símbolos químicos internacionales son H, He y Li.
Hay tres tipos de hidrógeno, llamados hidrógeno (ordinario), deuterio y tritio, en orden creciente de masa y decreciente de abundancia. El núcleo del hidrógeno ordinario consta de un solo protón. El deuterio tiene un neutrón además de un protón. El tritio tiene dos neutrones con su protón.
Indicamos el número total de nucleones (protones y neutrones) con un número en superíndice después del símbolo químico. En esta notación, los tres tipos de hidrógeno son H¹, H² y H³. No se deben confundir los superíndices con los números de las notas al pie o con los subíndices que usan los químicos para mostrar el número de átomos en un compuesto químico. Probablemente la fórmula del compuesto químico más conocida es la del agua, H2O, formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Esta fórmula representa el agua ordinaria. Si uno u otro o ambos átomos de hidrógeno son deuterio o tritio, uno tiene "agua pesada". Las posibles formas de agua pesada a partir de hidrógeno pesado serían H²H¹O, H²H²O, H³H¹O, H³H²O y H³H³O. Tenga en cuenta que para H²H²O podemos escribir H²2O. De manera similar, H³H³O también es H³2O. Por lo general, suprimimos el superíndice 1 para el hidrógeno ordinario, por lo que H²H¹O es H²HO y H³H¹O es H³HO. Ninguna de estas fórmulas es muy habitual porque tenemos otra simplificación. El deuterio y el tritio son tan importantes que tienen sus propios símbolos químicos, D y T, aunque químicamente son lo mismo que el hidrógeno. Por lo tanto, generalmente simbolizamos los diferentes tipos de agua pesada con DHO, D2O, THO, TDO y T2O.
El exceso de neutrones hace que el tritio sea inestable. Es probable que uno de los neutrones se convierta en un protón y emita un electrón y un neutrino. Esto convierte al tritio en el isótopo ligero estable de helio llamado "helio-tres", He3. El helio ordinario, generalmente escrito como He sin superíndice, tiene dos neutrones. El litio-seis, Li6, tiene 3 neutrones, pero el mucho más abundante litio-siete, Li7, tiene 4 neutrones.
Tenemos entonces elementos con 1, 2, 3, 4, 6, 7, y 9 nucleones, pero ningún elemento con 5 o 8 nucleones. Esto impide la formación de otros elementos mas pesados que berilio.
Estos elementos se formaron cuando los protones y neutrones originales chocaron y se unieron bajo el intenso calor y la presión de la madrugada del primer día, los primeros minutos del universo. Algunos de los protones y neutrones formaron combinaciones de dos, tres, cuatro, seis o siete nucleones, mientras que otros protones permanecieron libres. No quedaron neutrones libres mucho después de los primeros 15 minutos, porque la fuerza débil los descompuso en protones, electrones y neutrinos.
Incluso en esas condiciones iniciales, era poco probable que tres partículas colisionaran simultáneamente. El primer núcleo compuesto fue el deuterio, que se formó cuando un neutrón chocó contra un protón y los dos nucleones se pegaron. Casi todo el deuterio que existe hoy se formó en los primeros cuatro minutos del universo, cuando aún había neutrones libres disponibles. El tritio y el helio-tres tuvieron que esperar hasta después de los primeros uno o dos minutos, cuando hubo suficientes núcleos de deuterio para hacer frecuentes las colisiones entre el deuterio y un protón o un neutrón. El helio-tres es estable, pero se convierte en helio-cuatro cuando choca con un neutrón. El litio-seis generalmente proviene de una colisión entre el helio-cuatro y el deuterio. Una colisión entre el helio-tres y el tritio también produciría litio-seis, pero las dos partes tendrían que unirse antes de que la fuerza débil convirtiera el tritio en helio-tres. Si un núcleo de helio-cuatro golpea primero uno de los núcleos de tritio disponibles, se convierta en litio-siete.
Así protones y neutrones formaron los núcleos de los tres elementos de menor peso: hidrógeno, helio y litio. La formación de núcleos ligeros estuvo casi completa en los primeros cuatro minutos después de la creación.
El escenario anterior concuerda en detalle con las abundancias relativas de los elementos de bajo peso. Muchos físicos han buscado escenarios alternativos, pero hasta ahora ningún otro escenario concuerda con tanta exactitud. Por lo tanto, pensamos que el escenario anterior se acerca a lo que realmente sucedió.
El primer alto en la producción de núcleos
No hay combinaciones estables que tengan un total de cinco u ocho partículas nucleares. La falta de ellos impidió la formación de combinaciones más grandes. Para formar núcleos con nueve o más nucleones, el calor y la presión deben durar lo suficiente como para que se produzcan muchas colisiones entre las combinaciones inestables y los elementos más ligeros. La temperatura y la presión en rápido descenso de la primera mañana impidieron la formación de elementos más complejos que el hidrógeno, el helio y el litio mientras el universo primitivo se enfriaba en los primeros minutos.
La mayoría de las colisiones fueron entre dos núcleos. Las colisiones triples pueden hacer elementos más pesados. Por ejemplo, el helio ordinario (dos protones y dos neutrones) puede producir carbono (seis protones y seis neutrones) si tres núcleos de helio chocan casi simultáneamente. Pero cuando hubo suficiente helio para hacer probables las colisiones triples, la mezcla se había enfriado y las colisiones no eran lo suficientemente enérgicas para superar la repulsión mutua de las cargas positivas en los núcleos.
Los núcleos pesados no pudieron formarse en la primera mañana. Tuvieron que esperar hasta la mañana del segundo día, cuando los elementos de baja masa siguieron chocando durante millones de años en el interior de las primeras estrellas.
Complejidad insuficiente
Con solo tres elementos, la mezcla era químicamente pobre. Incluso después de que se enfrió lo suficiente como para que los núcleos capturaran electrones y formaran átomos neutros, era posible muy poca química. El helio es un gas noble. Eso significa que los átomos de helio no se combinan con nada. Los átomos de hidrógeno se combinan entre sí de dos en dos para formar moléculas de hidrógeno. El litio se combina con hidrógeno para formar hidruro de litio, un cristal incoloro. Al final de la primera mañana, las únicas sustancias químicas disponibles eran hidrógeno atómico y molecular, helio, litio metálico e hidruro de litio. Estos eran insuficientes para formar las complejas combinaciones necesarias para la vida. Ninguna forma de vida conocida puede existir con tan pocos elementos y tan pocas sustancias químicas.
Las condiciones tenían que ser muy diferentes entre la primera y la segunda mañana para hacer todos los elementos. Las condiciones también tenían que ser las correctas en la primera mañana. Con demasiada temperatura y presión, la mayoría de los neutrones podrían haberse combinado con los protones para formar deuterio. Eso habría igualado el número de protones y neutrones de forma casi irreversible. El deuterio no es adecuado para hacer elementos mucho más pesados que el azufre (16 protones y generalmente 16 neutrones) porque los elementos más pesados requieren más neutrones que protones para su estabilidad. Cuando los protones individuales del hidrógeno ordinario se combinan con otros núcleos, pueden convertirse en neutrones para suministrar la cantidad adicional de neutrones que necesitan los elementos pesados. El deuterio no se combina tan fácilmente como los protones con otros núcleos, y el protón de un núcleo de deuterio no se convierte fácilmente en un neutrón. Sin elementos pesados no habría hierro (26 protones y generalmente 30 neutrones) para transportar oxígeno en la sangre, por ejemplo. Por otro lado, si la presión hubiera sido demasiado baja al principio o no se hubiera mantenido alta el tiempo suficiente, la mayoría de los neutrones se habrían desintegrado en protones. En ese caso, nunca podría haber habido ningún elemento más pesado que el hidrógeno.
Estos elementos se formaron cuando los protones y neutrones originales chocaron y se unieron bajo el intenso calor y la presión de la madrugada del primer día, los primeros minutos del universo. Algunos de los protones y neutrones formaron combinaciones de dos, tres, cuatro, seis o siete nucleones, mientras que otros protones permanecieron libres. No quedaron neutrones libres mucho después de los primeros 15 minutos, porque la fuerza débil los descompuso en protones, electrones y neutrinos.
Incluso en esas condiciones iniciales, era poco probable que tres partículas colisionaran simultáneamente. El primer núcleo compuesto fue el deuterio, que se formó cuando un neutrón chocó contra un protón y los dos nucleones se pegaron. Casi todo el deuterio que existe hoy se formó en los primeros cuatro minutos del universo, cuando aún había neutrones libres disponibles. El tritio y el helio-tres tuvieron que esperar hasta después de los primeros uno o dos minutos, cuando hubo suficientes núcleos de deuterio para hacer frecuentes las colisiones entre el deuterio y un protón o un neutrón. El helio-tres es estable, pero se convierte en helio-cuatro cuando choca con un neutrón. El litio-seis generalmente proviene de una colisión entre el helio-cuatro y el deuterio. Una colisión entre el helio-tres y el tritio también produciría litio-seis, pero las dos partes tendrían que unirse antes de que la fuerza débil convirtiera el tritio en helio-tres. Si un núcleo de helio-cuatro golpea primero uno de los núcleos de tritio disponibles, se convierta en litio-siete.
Así protones y neutrones formaron los núcleos de los tres elementos de menor peso: hidrógeno, helio y litio. La formación de núcleos ligeros estuvo casi completa en los primeros cuatro minutos después de la creación.
El escenario anterior concuerda en detalle con las abundancias relativas de los elementos de bajo peso. Muchos físicos han buscado escenarios alternativos, pero hasta ahora ningún otro escenario concuerda con tanta exactitud. Por lo tanto, pensamos que el escenario anterior se acerca a lo que realmente sucedió.
El primer alto en la producción de núcleos
No hay combinaciones estables que tengan un total de cinco u ocho partículas nucleares. La falta de ellos impidió la formación de combinaciones más grandes. Para formar núcleos con nueve o más nucleones, el calor y la presión deben durar lo suficiente como para que se produzcan muchas colisiones entre las combinaciones inestables y los elementos más ligeros. La temperatura y la presión en rápido descenso de la primera mañana impidieron la formación de elementos más complejos que el hidrógeno, el helio y el litio mientras el universo primitivo se enfriaba en los primeros minutos.
La mayoría de las colisiones fueron entre dos núcleos. Las colisiones triples pueden hacer elementos más pesados. Por ejemplo, el helio ordinario (dos protones y dos neutrones) puede producir carbono (seis protones y seis neutrones) si tres núcleos de helio chocan casi simultáneamente. Pero cuando hubo suficiente helio para hacer probables las colisiones triples, la mezcla se había enfriado y las colisiones no eran lo suficientemente enérgicas para superar la repulsión mutua de las cargas positivas en los núcleos.
Los núcleos pesados no pudieron formarse en la primera mañana. Tuvieron que esperar hasta la mañana del segundo día, cuando los elementos de baja masa siguieron chocando durante millones de años en el interior de las primeras estrellas.
Complejidad insuficiente
Con solo tres elementos, la mezcla era químicamente pobre. Incluso después de que se enfrió lo suficiente como para que los núcleos capturaran electrones y formaran átomos neutros, era posible muy poca química. El helio es un gas noble. Eso significa que los átomos de helio no se combinan con nada. Los átomos de hidrógeno se combinan entre sí de dos en dos para formar moléculas de hidrógeno. El litio se combina con hidrógeno para formar hidruro de litio, un cristal incoloro. Al final de la primera mañana, las únicas sustancias químicas disponibles eran hidrógeno atómico y molecular, helio, litio metálico e hidruro de litio. Estos eran insuficientes para formar las complejas combinaciones necesarias para la vida. Ninguna forma de vida conocida puede existir con tan pocos elementos y tan pocas sustancias químicas.
Las condiciones tenían que ser muy diferentes entre la primera y la segunda mañana para hacer todos los elementos. Las condiciones también tenían que ser las correctas en la primera mañana. Con demasiada temperatura y presión, la mayoría de los neutrones podrían haberse combinado con los protones para formar deuterio. Eso habría igualado el número de protones y neutrones de forma casi irreversible. El deuterio no es adecuado para hacer elementos mucho más pesados que el azufre (16 protones y generalmente 16 neutrones) porque los elementos más pesados requieren más neutrones que protones para su estabilidad. Cuando los protones individuales del hidrógeno ordinario se combinan con otros núcleos, pueden convertirse en neutrones para suministrar la cantidad adicional de neutrones que necesitan los elementos pesados. El deuterio no se combina tan fácilmente como los protones con otros núcleos, y el protón de un núcleo de deuterio no se convierte fácilmente en un neutrón. Sin elementos pesados no habría hierro (26 protones y generalmente 30 neutrones) para transportar oxígeno en la sangre, por ejemplo. Por otro lado, si la presión hubiera sido demasiado baja al principio o no se hubiera mantenido alta el tiempo suficiente, la mayoría de los neutrones se habrían desintegrado en protones. En ese caso, nunca podría haber habido ningún elemento más pesado que el hidrógeno.