Crean isótopo de magnesio más ligero que un neutrón y analizando el núcleo de la Tierra, se abren dos nuevas fronteras.

Una nueva mirada al principio del Universo, se teoriza que primero se formaron los "quarks" y los "leptones", las unidades constituyentes de las partículas elementales. Las siguientes en formarse fueron las propias partículas, incluyendo los protones, los neutrones y los electrones.

Esto es, a manera de resumen, que durante su evolución se formaron primero las partículas subatómicas, los núcleos atómicos y después se empezaron a formar los primeros grumos de materia, por evolución se forman estrellas y galaxias y desde el Big Bang hasta la época actual el Universo no ha dejado de expandirse.

Ilustración de la "nebulosa NGC 604", ubicada a una distancia de 850 mil parsecks, alojada en la Galaxia del Triángulo, es una de las dos regiones con mayor formación estelar en al "Grupo Local", y por ello constituye una región con hidrógeno ionizado. Tomada de Wikipedia.

La "Teoría del Big Bang", que es el modelo cosmológico predominante actualmente, para aplicar a los períodos más antiguos del Universo (la evolución del universo temprano en un rango temporal que abarca desde un "Tiempo de Plank" que es una unida de tiempo, considerada como el intervalo más pequeño que puede ser medido, aproximadamente equivale a 10 a la menos 43 segundos) después del Big Bang, hasta entre 300 mil y 400 mil años más tarde, cuando ya se empezaban a formar átomos estables y el Universo se hizo transparente, y su posterior evolución a gran escala. Mediciones modernas datan este momento hace aproximadamente 13 mil 800 millones de años, que sería por tanto la Edad del Universo; después de un período de tiempo en que se dio la expansión inicial, el Universo se fue enfriando, de tal manera que pudo suceder la formación de las "partículas subatómicas" y más tarde constituyeron los más simples átomos, esto es, los del elemento químico más sencillo, y que corresponde al hidrógeno.

Entre paréntesis debe de consignarse la importancia de este elemento químico, hidrógeno (H), es el de mayor abundancia en el Universo visible, se estima que alcanza el setenta cinco por ciento en la materia normal de masa y el noventa por ciento en cuanto al número de átomos. Las nubes moleculares de hidrogeno (H2) están asociadas a la formación de las estrellas. El hidrógeno también juega un papel fundamental como combustible de las estrellas por medio de las reacciones de  fusión nuclear entre núcleos de hidrógeno.

Un segundo después de estallar el "Big Bang", cuando una emisión de neutrinos interactuó con todas las partículas que había a su alrededor y moldeó la estructura misma del "Cosmos", al menos cuando éste se encontraba tan caliente que era una suerte de plasma (la temperatura ascendió a miles de grados y causó que la radiación (fotones) y la materia (bariones) formaran un plasma. Como era de esperarse, la materia buscó agruparse por mero colapso gravitacional, pero no pudo debido a la presencia de lo fotones. Ello hizo que en este fluido se crearan ondas esféricas que se propagaron a la velocidad del sonido, fenómeno conocido como oscilación acústica de bariones "BAO"), es importante mencionar que este episodio duró muy poco, y el breve contacto entre los neutrinos y la materia no volvería a repetirse, pero dejó una huella indeleble en la distribución de la última a lo largo del Universo. Esto, que por mucho tiempo se manejó como sospecha, hoy es un hecho comprobado, como se dio a conocer el 25 de febrero del 2019, en las páginas de la revista "Nature Physics". La existencia de un "fondo cósmico de neutrinos" (CvB) en el espectro de densidad de la materia se produjo durante el primer segundo tras el "Big Bang" e interactuó con todas las partículas a su alrededor, al menos hasta que el Cosmos comenzó a expandirse y a enfriarse. Ahí, estos neutrinos perdieron energía, dejaron de interactuar y comenzaron a viajar libremente; por ello, estos momentos son una forma de asomarnos al "Universo Temprano", en cuanto el universo se comenzó a enfriar, los bariones y los fotones se separaron y estas oscilaciones de densidad quedaron congeladas.

Se publicó en el mes de mayo del 2021, en la revista "Physics Letters B", que el "plasma", que era la única materia existente durante el primer microsegundo, estaba compuesta por "Quark-Gluon" (QGP) "Quarks-Gluones" y que era de forma líquida fluida, antes de convertirse en hadrones y los componentes básicos de la vida, lo que robustece la idea de que el "plasma" se modificó con el paso del tiempo, lo que es una información nueva y sorprendente para el grupo de científicos que no lo pensaban así.

Se estima que la materia con sus dos propiedades fundamentales: masa y volumen, se generó unos tres minutos y veinte segundos después del "Big Bang", cuando la temperatura vigente había bajado de 10 a la treinta y dos grados centígrados, a tan sólo 10 a la nueve grados centígrados; y con ello entramos a la forma de observar y medir la materia, esa que se presenta ante los ojos y comprensión humana, con sus especificaciones concretas: Masa, Volumen, Peso, Porosidad, Inercia, Impenetrabilidad y Divisibilidad. 

Al inicio surgieron el hidrógeno y el helio, pero en procesos de fusión ocasionados por las cuatro fuerzas existentes en la naturaleza, como la vieja conocida nuestra, la gravedad, se formaron elementos químicos más complejos: oxígeno, nitrógeno, carbono, magnesio y aún otros más pesados, hasta completar los noventa y seis elementos naturales y otros veintiseises artificiales, que suman ciento dieciocho elementos químicos contenidos en la Tabla Periódica.

En colaboración con un equipo internacional de investigadores, la Universidad Estatal de Michigan (MSU) ayudó a crear un isótopo de magnesio más ligero que un neutrón.

Forjado en el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores (NSCL) en MSU, este isótopo récord es tan inestable que se desmorona antes de que los científicos puedan medirlo directamente. Sin embargo, puede ayudarlos a comprender mejor cómo se forman los átomos que definen nuestra existencia.

Dirigido por expertos de la Universidad de Pekín en China, el equipo incluyó a científicos de la Universidad de Washington en Saint Louis, MSU y otras instituciones.

Representación del isótopo magnesio. Foto S.M. Wang / Fudan University and facility por rare vía Europa Press.

“Una de las grandes interrogantes que me interesa resolver es de dónde provienen los elementos del universo”, señaló en un comunicado Kyle Brown, profesor asistente de química en "Facility for Rare Isotope Beams" (FRIB) "Instalación para isótopos raros" de la Universidad Estatal de Michigan y uno de los líderes del nuevo estudio, publicado en línea por la revista "Physical Review Letters". El profesor se ha preguntado las siguientes interrogantes:

“¿Cómo se fabrican estos elementos? ¿Cómo suceden estos procesos?”

El nuevo isótopo no responderá esas preguntas por sí sólo, pero puede ayudar a refinar las teorías y los modelos que los científicos desarrollan para explicar tales misterios.

Es un elemento químico natural forjado en las estrellas.

La Tierra está llena de magnesio (Mg) natural, forjado hace mucho tiempo en las estrellas, que desde entonces se ha convertido en un componente clave de nuestras dietas y minerales en la corteza del planeta, pero es estable. Su núcleo atómico, no se desmorona.

El número atómico del magnesio es doce. Su masa atómica es de 24.305 "u" o "dalton". Es el octavo elemento en abundancia en el orden del dos por ciento de la corteza terrestre y el tercero más abundante disuelto en las aguas marinas, alrededor de un mil trescientas partes por millón. El ion magnesio es esencial para mantener con vida a todas las células, cumple una función estabilizadora de la estructura de cadenas de los ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (ADN) y  ácido ribonucleico (ARN). El metal puro no se encuentra en la naturaleza. Una vez producido a partir de las sales de magnesio, este metal "alcalino-térreo" es utilizado como un elemento de aleación.

El nuevo isótopo de magnesio, sin embargo, es demasiado inestable para encontrarse en la naturaleza. Pero al usar aceleradores de partículas, los científicos pueden superar los límites de los modelos que ayudan a explicar cómo se construyen y permanecen unidos todos los núcleos.

Esto, a su vez, ayuda a predecir lo que sucede en entornos cósmicos extremos que es posible que nunca podamos imitar o medir directamente desde la Tierra.

Afirmó el experto investigador Kyle Brown: “Al probar estos modelos y hacerlos cada vez mejores, podemos extrapolar cómo funcionan las cosas donde no podemos medirlas. Estamos midiendo las cosas que podemos para predecir las que no podemos”.

Brown ha estado involucrado en cuatro proyectos diferentes del "Facility for Rare Isotopes Beams" de la MSU que han creado nuevos isótopos. Eso incluye el más nuevo, que se conoce como "magnesio-18".

Todos los átomos de magnesio tienen doce protones en sus núcleos. Anteriormente, la versión más ligera de magnesio tenía siete neutrones, lo que le daba un total de 19 protones y neutrones, de ahí su designación como "magnesio-19".

Para producir "magnesio-18", que es más ligero en un neutrón, el equipo comenzó con una versión estable de magnesio, "magnesio-24". El ciclotrón en NSCL aceleró un rayo de núcleos de "magnesio-24" a aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz y envió ese rayo hacia un objetivo, que es una lámina de metal hecha del elemento berilio, y fue sólo el primer paso.

“Esa colisión te da un montón de isótopos diferentes más livianos que el "magnesio-24", pero de esa sopa, podemos seleccionar el isótopo que queremos”, aclaró Brown.

En este caso ese isótopo es "magnesio-20", esta versión es inestable, lo que significa que decae, generalmente en décimas de segundo. Entonces, este equipo se ve obligado a trabajar contra reloj, con objeto de lograr que este "magnesio-20" choque con otro objetivo de berilio ubicado a  unos treinta metros de distancia. Y llega bastante rápido, no obstante que apenas alcanza una velocidad equivalente a la de la mitad de la que luz.

En esa segunda colisión, se crea "magnesio-18"que tiene una vida útil equivalente a una sextillonésima de segundo, ello resulta en un lapso tan corto que existe solamente como un núcleo desnudo, no hay electrones que le alcancen a cubrir y le conformen como un verdadero átomo.

Como el equipo de científicos no tiene la posibilidad de examinar el isótopo directamente, pero si pueden caracterizar los signos reveladores de su desintegración, en primera instancia el "magnesio-18" expulsa dos protones de su núcleo, lo que lo convierte en "neon-16", que luego expulsa otros dos protones y eso lo vuelve "oxígeno-14", entonces se realiza el análisis de lo sucedido, es decir, el escape del objetivo de los protones y el oxígeno, y como consecuencia el equipo de científicos puede deducir las propiedades del "magnesio-18".

Concluye Brown: "De hecho, es tan corto el tiempo que el "magnesio-18" nunca abandona el objetivo de berilio, este nuevo isótopo decae entro del objetivo. Este fue un esfuerzo de equipo, todos trabajaron muy duro en este proyecto. Y esto es verdaderamente emocionante , dado que no todos los días los investigadores descubren un nuevo isótopo.

En esa misma vertiente, sobre la química terrestre y sus procesos, se tiene el siguiente artículo.

Restos de procesos químicos de la Tierra primitiva pueden estar cerca del núcleo.

Vista de la Tierra desde el espacio, destacan Africa, Asia y los océanos. Foto Nasa

Cerca del núcleo de la Tierra hay zonas en las que las ondas sísmicas se ralentizan, esto es que, se tornan más lentas.

Ahora, un nuevo estudio de la Universidad de Utah ha revelado que estas enigmáticas y descriptivas zonas de velocidad ultrabaja están sorprendentemente estratificadas.

Los modelos sugieren que es posible que algunas de estas zonas sean restos de los procesos que dieron forma a la Tierra primitiva, según el artículo presentado en la revista "Nature Geoscience".

Explicó Michael S. Thorne, profesor asociado del Departamento de Geología y Geofísica: de dicha universidad: “De todas las características que conocemos del manto profundo, las zonas de velocidad ultrabaja son probablemente las más extremas y son algunas de las características más extremas que se encuentran en cualquier parte del planeta".

Entre la "corteza" y el "núcleo" de hierro y níquel, en el centro del planeta, se encuentra el "manto" que, recuerdan los investigadores, no es un océano de lava, sino más bien es una roca sólida, caliente y con una capacidad de movimiento que impulsa las placas tectónicas en la superficie.

Para saber lo que ocurre en el "manto" y en el "núcleo" se usan las ondas sísmicas: cuando se propagan por la Tierra después de un terremoto, los científicos de la superficie pueden medir cómo y cuándo llegan las ondas a las estaciones de control de todo el mundo.

A partir de esas mediciones, pueden calcular cómo se reflejan y desvían las ondas en las estructuras de la Tierra, incluidas las capas de diferentes densidades. Así es como se sabe dónde están los límites entre la corteza, el manto y el núcleo, y en parte de qué están hechos.

Las zonas de velocidad ultrabaja se encuentran en el fondo del "manto", encima del "núcleo exterior de metal líquido". En estas áreas, las ondas sísmicas se ralentizan hasta la mitad y la densidad aumenta un tercio.

El profesor Michael S. Thorne declaro que: En un principio, los científicos pensaron que estas zonas eran áreas en las que el "manto" estaba parcialmente fundido, y que podrían ser la fuente de magma para las llamadas "regiones volcánicas de punto caliente”, como lo es Islandia. Y agrego: "Pero la mayoría de lo que llamamos zonas de velocidad ultrabaja no parecen estar situadas bajo los volcanes de puntos calientes , así que esa no puede ser toda la historia”.

Así que Thorne,  el becario posdoctoral Surya Pachhai y el resto del equipo se propusieron explorar una hipótesis alternativa, esto es lo propuesto: Las zonas de velocidad ultrabaja pueden ser áreas hechas de rocas diferentes al resto del "manto", y su composición se remontaría a la Tierra primitiva.

Teorizó Thorne: "Quizá las zonas de velocidad ultrabaja podrían ser acumulaciones de óxido de hierro, que lo vemos como en la superficie pero que puede comportarse como un metal en el manto profundo. De ser así, las "bolsas de óxido de hierro" situadas fuera del núcleo podrían influir en el Campo Magnético del planeta, que se genera justo debajo.

Complementó lo anterior Surya Pachhai, al mencionar que: “Las propiedades físicas de las zonas de velocidad ultrabaja están relacionadas con su origen, lo que a su vez proporciona información importante sobre el estado térmico y químico, la evolución y la dinámica del manto más bajo de la Tierra, una parte esencial de la convección (que es un movimiento de las corrientes magmáticas que ascienden al aumentar su temperatura) del "manto" que impulsa la tectónica de placas”.

Pero obtener una imagen sísmica de algo a través de casi tres kilómetros de corteza y manto no es fácil. Adicionalmente que tampoco es siempre concluyente: una capa gruesa de material de baja velocidad puede reflejar las ondas sísmicas de la misma manera que una capa fina de material de velocidad aún más baja. Así que el equipo utilizó un enfoque de "ingeniería inversa".

Señaló Pachhai: “Podemos crear un modelo de la Tierra que incluya reducciones de la velocidad de las ondas ultrabajas y luego ejecutar una simulación por ordenador que nos diga cómo serían las formas de las ondas sísmicas si así fuera la Tierra en realidad. Nuestro siguiente paso es comparar esos registros predichos con los que realmente tenemos”.

Una pregunta concreta que los investigadores querían responder es la referente a la existencia de estructuras internas, como capas, dentro de las zonas de velocidad ultrabaja. La respuesta, según los modelos, es que dichas capas son muy probables. Lo que muy es importante, porque muestra el camino para entender cómo se formaron estas zonas.

Hace más de cuatro mil millones de años, mientras el hierro denso se hundía en el núcleo de la "Tierra primitiva" y los minerales más ligeros flotaban en el manto, un objeto planetario del tamaño de Marte pudo chocar contra el planeta naciente.

La colisión pudo haber arrojado a la órbita de la Tierra restos que posteriormente podrían haber formado la Luna. También elevó la temperatura de la Tierra de forma significativa, como cabría esperar de dos planetas que chocan entre sí.

El nombre de magma designa a la materia en estado semifluido —resultado de la fusión de silicatos que contienen gases y minerales sólidos dispersos y otros compuestos que integran las rocas, encontrándose a temperaturas entre 700 y 1,200ºC— que forma la región situada debajo de la corteza terrestre, cuando emerge a la superficie se denomina lava. Tomada Okdiario.com

Lo que se establece teóricamente, lo detalla Pachhai,: “Como resultado, se formó una gran masa de material fundido, conocido como océano de magma, dicho “océano” estaría formado por rocas, gases y cristales suspendidos en el magma. A lo largo de los siguientes miles de millones de años, la capa densa habría sido empujada en pequeños parches, mostrándose como las zonas de ultrabaja velocidad en capas que vemos hoy. El hallazgo principal y más sorprendente es que las zonas de velocidad ultrabaja no son homogéneas, sino que contienen fuertes heterogeneidades en su interior. Por tanto, nuestro descubrimiento proporciona una herramienta para entender el estado térmico y químico inicial del manto terrestre  y su evolución a largo plazo”.

Así la investigación científica que busca encontrar respuesta a los inicios del Universo y de nuestro planeta, se cruzan en puntos en que se logran avances, generando interpretaciones novedosas y que apuntan a consecución de explicaciones más certeras que las vigentes, la Machincuepa Cuántica se coloca, para ayudar a darlas a conocer, y aún cuando falta camino por recorrer para encontrar las explicaciones completas, se logran avances importantes.