VII. �DE D�NDE OBTIENE SU ENERG�A EL SOL?
EN BUSCA DE UNA FUENTE DE ENERG�A
EL SOL es un emisor continuo de energ�a, y de una cantidad de energ�a formidable. El origen de la energ�a del Sol ha sido y sigue siendo uno de los temas m�s apasionantes de la f�sica solar. Mientras el hombre crey� que el Sol fue puesto ah� por una divinidad con el solo prop�sito de alumbrar y calentar la Tierra, su energ�a formaba parte de esa creaci�n divina. Pero cuando el hombre fue construyendo la f�sica y descubriendo que todos los procesos en el Universo parec�an obedecer a un mismo conjunto de leyes, se empez� a preguntar por la fuente de energ�a del Sol en t�rminos de esas leyes. �Era el Sol una masa incandescente en continua combusti�n? De lo que se sab�a de �l a fines del siglo pasado y de lo que se conoc�a de la combusti�n qu�mica esto no era posible. Si el Sol estuviera ardiendo se hubiera consumido en unos cuantos miles de a�os y, sin embargo, los f�siles terrestres indicaban que la vida en la Tierra se remontaba a millones de a�os, por lo que se requer�a de un Sol mucho m�s viejo.
El f�sico ingl�s Lord Kelvin y el f�sico alem�n Hermann von Helmholtz propusieron
a finales del siglo pasado que el Sol obten�a su energ�a por contracci�n gravitacional:
se calienta porque se est� encogiendo lentamente. Suponiendo este proceso como
fuente de la energ�a solar, se estimaba que el Sol hab�a estado brillando tal
vez por unos 40 millones de a�os, tiempo suficiente para tranquilizar a los
paleont�logos de la �poca. Pero el alivio procurado por este nuevo proceso dur�
muy poco. Pronto se descubrieron vestigios de vida que databan de por lo menos
varios cientos de millones de a�os. El Sol deber�a haber estado brillando
entonces durante mucho m�s tiempo, pero �c�mo era eso posible?, �de d�nde proven�a
esa energ�a tan enorme capaz de durar tanto tiempo?, �qu� otro proceso, m�s
potente que la combusti�n o la contracci�n gravitacional, hab�a estado haciendo
arder a nuestra estrella por cientos o quiz�s miles de millones de a�os? La
respuesta tuvo que esperar a la f�sica del siglo XX.
Durante el primer cuarto de este siglo la fuente de la energ�a del Sol permaneci� siendo un misterio, pero la nueva f�sica que se inici� con el descubrimiento de la radiactividad en 1896 empez� pronto a dar sus frutos. El concepto de �tomos constituidos por peque��simas part�culas fue abriendo paso al estudio de las reacciones nucleares, y el establecimiento de Einstein de que la materia puede convertirse en tremendas cantidades de energ�a sugiri� una nueva y tentadora posibilidad. Alrededor de 1926 el f�sico ingl�s sir Arthur Eddington propuso que alg�n tipo de reacci�n en el denso y caliente n�cleo del Sol deber�a estar transformando materia en energ�a y que este mismo proceso era el que hac�a brillar a todas las estrellas. Aunque su idea era en esencia correcta, los detalles de las reacciones que ocurren en el n�cleo del Sol tuvieron que esperar hasta los a�os cuarenta, cuando el f�sico alem�n Hans Bethe determin� dos tipos de reacciones nucleares que ocurren en el interior del Sol y que transforman el hidr�geno en helio con una cierta p�rdida de materia que es transformada en energ�a. El interior del Sol es pues un gigantesco reactor nuclear donde cada segundo 564 millones de toneladas de hidr�geno se convierten en 560 millones de toneladas de helio. La diferencia de cuatro millones de toneladas se transforma en energ�a de acuerdo a la relaci�n de Einstein E = mc 2, donde m es la cantidad de masa perdida, c es la velocidad de la luz y E la cantidad de energ�a resultante. Este proceso de producci�n de energ�a, millones de veces m�s eficiente que la combusti�n qu�mica, ha mantenido al Sol brillando por casi 5 000 millones de a�os y puede mantenerlo as� por lo menos una cantidad igual de a�os m�s. En realidad, todas las estrellas obtienen su energ�a de reacciones de este tipo; sus n�cleos son enormes bombas nucleares en explosi�n continua, donde unos elementos se funden para formar otros, liberando en el proceso rayos gamma y neutrinos en cantidades formidables. Las temperaturas y presiones tan altas que imperan en el interior de las estrellas permiten que estas reacciones se den en forma espont�nea. En el n�cleo del Sol, a una temperatura de cerca de 20 millones de grados y a una presi�n de 100 000 millones de veces la de la atm�sfera de la Tierra al nivel del mar, una muchedumbre de electrones y n�cleos at�micos desnudos se mueven a velocidades vertiginosas en todas direcciones. Las colisiones entre los n�cleos aqu� no s�lo son posibles, sino inevitables, dando lugar a las reacciones de fusi�n que hemos mencionado. Todo esto ocurre en una esfera de aproximadamente un d�cimo del radio del Sol, que es donde se produce toda la energ�a que de aqu� viaja hasta su superficie, y finalmente es radiada hacia el espacio.
Los rayos g que se producen en las reacciones nucleares en el Sol degeneran muy pronto en rayos X que se dirigen hacia la superficie a trav�s de la zona de radiaci�n que envuelve al n�cleo. En esta zona, los fotones de radiaci�n X van sufriendo una gran cantidad de colisiones con iones y electrones y perdiendo con ellas energ�a. En la zona de convecci�n, es ahora el material caliente el que fluye hacia arriba, transportando la energ�a hacia la superficie donde se producen los fotones que finalmente son emitidos hacia el espacio en forma de luz y calor. Un fot�n que en el espacio libre emplea s�lo ocho minutos para viajar del Sol hasta la Tierra requiere de varios millones de a�os para alcanzar la superficie del Sol proveniente del n�cleo. De hecho, un fot�n originado en el n�cleo nunca llega a la superficie; lo que a final de cuentas llega es su energ�a, que ha ido sufriendo una enorme cantidad de transformaciones que al final le permiten emerger hacia el espacio despu�s de varios millones de a�os.
El asunto con los neutrinos es radicalmente diferente. Estas peque��simas y elusivas part�culas pueden atravesar kil�metros y kil�metros de materia densa sin siquiera percatarse de su presencia. Los neutrinos producidos por las reacciones de fusi�n en el n�cleo del Sol escapan de inmediato del Sol, viajando a la velocidad de la luz y atravesando todo su cuerpo en poco m�s de dos segundos. De hecho, la �nica forma de energ�a que surge del Sol, proviniendo directamente de su n�cleo y, por tanto, la �nica manera que tenemos de ver el n�cleo del Sol, es observando los neutrinos que de �l proceden. Pero esta misma facultad que tienen de cruzarlo sin apenas ser perturbados hace muy dif�cil su detecci�n, pues de la misma manera atraviesan nuestro planeta y todo lo que en �l se encuentra sin casi perturbarse. Por fortuna ese casi permite que nos percatemos de su existencia, que podamos contarlos y analizarlos, y obtener de ellos informaci�n sobre el Sol y los procesos que en su interior ocurren.
Si hacemos un c�lculo te�rico de la cantidad de neutrinos que emite el Sol por segundo debido a las reacciones de fusi�n en su n�cleo, encontramos una cantidad tan enorme que la Tierra deber�a de estar recibiendo 70 000 millones de ellos en cada cent�metro cuadrado de su superficie, cada segundo. Sin embargo, casi todos ellos atraviesan la atm�sfera, nuestros cuerpos y el cuerpo s�lido de nuestro planeta sin siquiera notar su presencia. Si quisi�ramos detener a la mitad de los neutrinos que el Sol emite deber�amos construir un muro de plomo de muchos a�os luz de espesor.
Esta penetrabilidad tan grande de los neutrinos, que por un lado permite que nos atraviesen sin causarnos ning�n da�o ya que no hay ninguna interacci�n con las part�culas de nuestro cuerpo, por otro lado hace muy dif�cil su detecci�n, pues si no hay interacci�n con el detector no es posible saber que fue atravesado por un neutrino. Sin embargo, aunque es muy peque�a la probabilidad de interacci�n, no es cero, y considerando la cantidad tan enorme de neutrinos que llegan a la Tierra cada segundo es posible en principio dise�ar un detector capaz de atrapar a algunos de ellos. Por consideraciones te�ricas y con base en el dise�o del detector se puede estimar qu� proporci�n de los neutrinos se espera capturar, y si �sta es, por ejemplo, una millon�sima, basta multiplicar por un mill�n los neutrinos contados para conocer el n�mero real de neutrinos incidentes sobre el detector. Esto permitir� finalmente poner a prueba si es verdad que la Tierra recibe 70 000 millones de neutrinos por cent�metro cuadrado cada segundo, como predice la teor�a.
Raymond Davis Jr., del Laboratorio Nacional de Brookhaven, ha dedicado m�s de 20 a�os de su vida a la tarea de atrapar los neutrinos del Sol. Ha instalado en lo profundo de una mina de oro, bajo las Colinas Negras de Dakota del Sur en Estados Unidos, un enorme tanque con l00 000 galones de fluido limpiador, como trampa gigante para los neutrinos. La idea es que los neutrinos pueden interaccionar con un cierto is�topo del cloro que compone el l�quido limpiador, dando lugar a �tomos de arg�n radiactivos que pueden ser detectados por m�todos convencionales. Con un n�mero tan enorme como 2 x 1030 �tomos de cloro a su disposici�n, la m�s optimista espectativa de Davis es atrapar seis neutrinos al d�a, por lo que las cuentas deben acumularse por varios meses. La idea de colocar este tanque profundamente bajo tierra es la de evitar que otras part�culas de gran energ�a que lleguen a la atm�sfera, como los rayos c�smicos, alteren el conteo de origen radiactivo; a lo profundo de la mina, casi 1 500 metros bajo tierra, s�lo pueden llegar los penetrantes neutrinos. M�s a�n, para que el conteo no se contamine con los materiales radiactivos del subsuelo, todo el tanque ha sido sumergido en un enorme recipiente con agua.
Sin embargo, los resultados del experimento de Davis, refinados en los �ltimos a�os, y de otros experimentos similares realizados por otros grupos cient�ficos, indican que llega a la Tierra s�lo la tercera parte de los neutrinos pronosticados. Todo parece indicar que las estimaciones experimentales est�n bien hechas, por lo que el problema debe estar en el c�lculo te�rico. O el Sol no es como pensamos, o los neutrinos tienen propiedades desconocidas, o la f�sica est� mal. A�n no se tiene una respuesta a la falta de neutrinos, pero es posible que esta respuesta sea algo m�s que un simple ajuste a nuestras ideas actuales y resulte tener profundas implicaciones en nuestra concepci�n del mundo en que vivimos.
