¿Cómo se quema el Sol si no hay oxígeno en el espacio exterior?

Pregunta de Mateo, de 15 años. IES Zaidín Vergeles (Granada).

Esta misma pregunta se la hicieron grandes científicos en el pasado. Se podría formular de otra manera: ¿de dónde saca el Sol su energía?

Pues bien, el físico y matemático británico William Thomson, que llegó a ser lord –Lord Kelvin–, escribió en torno a 1862 una serie de artículos sobre este tema. Thomson se dio cuenta de que la energía de nuestra estrella no podía provenir de la combustión, reacción química en la que una sustancia (el combustible) se une con el oxígeno para formar un nuevo compuesto, desprendiéndose luz y calor en el proceso.

Por ejemplo, si el Sol estuviera hecho de carbón, se habría consumido en solo 5 000 años, un “suspiro” en términos astronómicos.

No salen las cuentas

La cuenta es relativamente simple: la Tierra recibe del Sol más de mil watios por metro cuadrado. La energía total que el astro rey proporciona es esa cantidad multiplicada por el área de una esfera con un radio equivalente a la órbita terrestre, unos 150 millones de kilómetros.

Imaginemos ahora que el Sol está hecho de carbón ardiendo. Este combustible proporciona unos 26 millones de julios –la unidad internacional de energía– por kilogramo. Por tanto, la estrella quemaría unos 14x10¹⁸ (es decir, 14 seguido de 18 ceros) kilogramos por segundo. Dado que la masa del sol es de unos 2x10³⁰ kg, el carbón se agotaría en esos breves 5 000 años.

La conclusión es que la combustión no puede ser el origen de la energía solar. Y da igual que hablemos de carbón o de cualquier otro combustible: obtendríamos un valor un poco más alto o un poco más bajo, pero el orden de magnitud sería el mismo.

Es más, podemos descartar cualquier reacción química como el origen de la luz y calor que nos llega a la Tierra, ya que las energías que proporcionan esas reacciones son, como mucho, del orden de 100 de millones de julios por kilogramo de reactivo. No salen las cuentas.

Lord Kelvin calculó (mal) la edad del Sol y puso en jaque a Darwin

En definitiva, la respuesta más directa a la pregunta es que el Sol no necesita oxígeno para generar su energía porque esta no proviene de la combustión ni de ninguna otra reacción química.

Thomson y otros científicos de su época consideraron otras posibilidades. Por ejemplo, que la energía proviniera de la caída continua de meteoritos sobre la superficie de nuestra estrella. Pero el número de meteoritos necesarios para generar todo el calor que desprende resultaba incompatible con las observaciones.

Descartado ese mecanismo, Thomson se inclinó por una hipótesis que ya había planteado su colega alemán Hermann von Helmholtz: que el Sol se estaría contrayendo debido a su propia gravedad, y la fricción generaría el calor necesario.

Basándose en esta idea, Thomson calculó que el astro rey tendría energía para brillar unos 20 millones de años. Estos números estaban en contradicción con la edad que los geólogos estimaban para la Tierra, que era mucho mayor. Y también invalidaban la teoría de Charles Darwin, a la que Kelvin se oponía, ya que 20 millones no parecían años suficientes para la evolución de las especies. La discrepancia no se resolvió hasta mucho después.

Enigma resuelto: la energía que radia el Sol es de origen nuclear

Entonces, ¿de dónde obtiene el Sol la energía que expulsa al exterior? Cuando el físico francés Henri Becquerel descubrió en 1903 la radiactividad (la emisión de partículas subatómicas por un núcleo atómico), surgió una nueva posibilidad: la energía nuclear. Pero se tardaron varias décadas en desentrañar las leyes de la física nuclear.

Hoy sabemos que la energía del Sol se produce mediante fusión nuclear. En concreto, cuando cuatro núcleos de átomos de hidrógeno (protones) se unen para producir un núcleo de otro elemento: helio. En el proceso también surgen dos partículas subatómicas, llamadas positrones y neutrinos, así como 26,73 MeV de energía (un MeV es un megaelectronvoltio, la unidad utilizada en energía nuclear).

Sin embargo, esta reacción no se produce en un solo paso, ya que es extremadamente improbable que cuatro protones choquen de forma simultánea. Los físicos Hans Bethe y Carl von Weizsäcker estudiaron independientemente el problema en torno a 1938 y encontraron que se hacía por etapas, gracias a dos mecanismos: el ciclo protón-protón y el ciclo del carbono-nitrógeno-oxígeno. El primero es el que permite brillar al Sol, mientras que el segundo predomina en estrellas más masivas que él.

La energía puesta en juego en una reacción nuclear, como la fusión del hidrógeno para producir helio, es un millón de veces la de una reacción química, lo suficiente para que el Sol ilumine el firmamento una cantidad inimaginable de tiempo. Hoy en día se calcula que la estrella que nos da luz y calor tiene unos 4 600 millones de años, y lucirá todavía por unos miles de millones de años más.

El museo interactivo Parque de las Ciencias de Andalucía colabora en la sección The Conversation Júnior.

Alberto Tomás Pérez Izquierdo, Catedrático de Electromagnetismo, Universidad de Sevilla

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.