¿Cómo se forman las estrellas?

El Universo guarda todavía muchos misterios por descifrar. Afortunadamente, hay algunas cosas acerca de nuestro Cosmos que sí que sabemos. Y una de ellas es el proceso astronómico a través del cual se forman las estrellas.

Estas estrellas son la clave del Universo. Organizadas formando galaxias, las estrellas son el motor de todo lo que sucede en el Cosmos. Vistas desde nuestra perspectiva como diminutos puntos brillantes, las estrellas son, en realidad, esferas inmensas de plasma incandescente a distancias de cientos o miles de años luz.

Se estima que solo en la Vía Láctea podría haber más de 400.000 millones de estrellas. Y si tenemos en cuenta que nuestra galaxia es solo una más de las 2 millones de millones de las que podría haber en el Universo, es simplemente imposible imaginar cuántas estrellas “flotan” por el Cosmos.

Pero, ¿de dónde aparecen? ¿Cómo se forman? ¿Por qué alcanzan temperaturas tan elevadas? ¿De dónde viene la materia que las constituye? El nacimiento de una estrella es uno de los sucesos más asombrosos del Universo; y en el artículo de hoy veremos cómo ocurre.

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¿Qué es exactamente una estrella?

Antes de entrar en profundidad a analizar cómo nacen, es imprescindible entender bien qué es una estrella. A grandes rasgos, se trata de un cuerpo celeste de gran tamaño y temperaturas y presiones suficientemente elevadas como para que en su núcleo haya reacciones de fusión nuclear y que emita luz propia.

Las estrellas están compuestas principalmente de gas en forma de hidrógeno (75%) y helio (24%), aunque las inmensas temperaturas (en la superficie son de unos 5.000 °C - 50.000 °C, dependiendo del tipo de estrella, pero en el núcleo se alcanzan fácilmente decenas de millones de grados) hacen que el gas se encuentre en forma de plasma.

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Este plasma es el cuarto estado de la materia, el cual se trata de un fluido similar al gas, aunque por las temperaturas tan altas, sus moléculas están cargadas eléctricamente, lo que hace que tenga un aspecto a medio camino entre el líquido y el gaseoso.

En este sentido, las estrellas son esferas incandescentes de plasma y compuestas básicamente de hidrógeno y helio en cuyo núcleo tienen lugar reacciones de fusión nuclear, lo que significa que los núcleos de sus átomos se juntan (se necesitan energías increíblemente altas que, literalmente, solo se dan en el núcleo de las estrellas) para formar nuevos elementos.

Es decir, los núcleos de los átomos de hidrógeno (que tienen un protón) se fusionan hasta dar lugar a un átomo con dos protones, el cual es elemento helio. Esto es lo que sucede en nuestro Sol, una estrella pequeña y poco energética en comparación con los otros “monstruos” estelares, los cuales pueden seguir fusionando el helio para dar lugar a los otros elementos de la tabla periódica. Cada salto de elemento requiere de temperaturas y presiones mucho más altas.

Esta es la razón por la que los elementos menos pesados sean más frecuentes en el Universo que los pesados, pues hay pocas estrellas capaces de formarlos. Como vemos, son las estrellas las que “crean” los diferentes elementos. El carbono de nuestras moléculas viene de alguna estrella del Universo (no el Sol, porque no puede fusionarlo) que fue capaz de generar este elemento, el cual tiene 6 protones en su núcleo.

Estas reacciones de fusión nuclear requieren de temperaturas de, como mínimo, 15.000.000 °C, lo que provoca la liberación no solo de energía lumínica, sino de calor y radiaciones. Las estrellas, además, tienen masas increíblemente elevadas que no solo permiten que la gravedad mantenga el plasma altísimamente condensado, sino que atraiga a otros cuerpos celestes, como por ejemplo los planetas.

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¿Cuánto vive una estrella?

Habiendo entendido qué es una estrella, ya podemos adentrarnos en este viaje para entender cómo se forman. Pero antes, es importante dejar claro que, aunque las fases por las que pasan son comunes en todas las estrellas, los tiempos que dura cada una de ellas, así como su esperanza de vida, dependen de la estrella en cuestión.

El tiempo de vida de una estrella depende de su tamaño y composición química, pues esto determinará el tiempo que pueda mantener en su núcleo las reacciones de fusión nuclear. Las estrellas más masivas del Universo (UY Scuti es una hipergigante roja con un diámetro de 2.400 millones de km, que hace que nuestro Sol, con su poco más de 1 millón de km de diámetro, parezca un enano) viven unos 30 millones de años (un abrir y cerrar de ojos en términos de tiempos en el Universo) ya que son tan energéticas que agotan muy rápido su combustible.

En cambio, las más pequeñas (como las enanas rojas, que son también las más abundantes) se cree que podrían vivir más de 200.000 millones de años ya que gastan su combustible muy lentamente. Exacto, esto es más que la propia edad del Universo (el Big Bang sucedió hace 13.800 millones de años), por lo que todavía no ha habido tiempo para que una estrella de este tipo muera.

A medio camino tenemos a estrellas como nuestro Sol, que es una enana amarilla. Es una estrella más energética que la enana roja pero no tanto como una hipergigante, por lo que vive unos 10.000 millones de años. Teniendo en cuenta que el Sol tiene una edad de 4.600 millones de años, todavía no va ni por la mitad de su vida.

Como vemos, la variedad de esperanzas de vida en las estrellas varía enormemente, desde apenas 30 millones de años a más de 200.000 millones. Pero, ¿qué es lo que determina que una estrella sea más o menos grande y que, por tanto, viva más o menos? Pues, precisamente, su nacimiento.

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Nebulosas y protoestrellas: ¿cómo nace una estrella?

Nuestro viaje empieza con las nebulosas. Sí, esas asombrosas nubes que quedan perfectas como fondo de pantalla. En realidad, las nebulosas son nubes de gas (básicamente hidrógeno y helio) y polvo (partículas sólidas) situadas en medio del vacío interestelar y con tamaños de cientos de años luz, generalmente entre 50 y 300.

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Esto significa que, siendo capaces de viajar a la velocidad de la luz (300.000 kilómetros por segundo), tardaríamos cientos de años en atravesarlas. Pero, ¿qué tienen que ver estas regiones con el nacimiento de una estrella? Pues, básicamente, todo.

Las nebulosas son gigantescas nubes de gas y polvo cósmico (de millones de millones de kilómetros de diámetro) que no se encuentran afectadas por la gravedad de ninguna otra estrella. Por lo tanto, las únicas interacciones gravitatorias que se establecen son entre los trillones de partículas de gas y polvo que la constituyen.

Porque, recordemos, toda la materia con masa (es decir, toda la materia) genera gravedad. Nosotros mismos damos lugar a un campo gravitatorio, pero es ínfimo comparado con el de la Tierra, así que parece que no lo tengamos. Pero ahí está. Y con las moléculas de una nebulosa pasa lo mismo. Su densidad es muy baja, pero hay gravedad entre moléculas.

Por lo tanto, las atracciones gravitatorias suceden constantemente, haciendo que, a lo largo de millones de años, se llegue al punto de que, en el centro de la nube, haya mayor densidad de partículas. Esto hace que, cada vez, la atracción hacia el centro de la nebulosa sea mayor, creciendo exponencialmente el número de partículas de gas y polvo que llegan al núcleo de la nube.

Después de decenas de millones de años, la nebulosa tiene un núcleo con un grado de condensación mayor que el resto de la nube. Este “corazón” sigue condensándose más y más hasta dar lugar a lo que se conoce como protoestrella. Dependiendo de la composición de la nebulosa y de la masa en este momento, se formará una estrella de un tipo u otro.

Esta protoestrella, que tiene un tamaño mucho mayor al de la estrella final, es una región de la nebulosa que, debido a su alta densidad, el gas ha perdido su estado de equilibrio y ha empezado a colapsar rápidamente bajo su propia gravedad, dando lugar a un objeto delimitado y de aspecto esférico. Ya no es una nube. Es un cuerpo celeste.

Cuando esta protoestrella se ha formado, por la gravedad que genera, queda a su alrededor un disco de gas y polvo que va orbitando a su alrededor. En él estará toda la materia que, posteriormente, se irá compactando para dar lugar a planetas y otros cuerpos de ese sistema estelar.

Durante los posteriores millones de años, la protoestrella sigue compactándose cada vez más y más a una velocidad lenta pero constante. Llega un momento en el que la densidad es tan alta que, en el núcleo de la esfera, la temperatura alcanza los 10-12 millones de grados, momento en el cual empiezan las reacciones de fusión nuclear.

Cuando esto ocurre y el hidrógeno empieza a fusionarse para dar helio, el proceso de formación se da por terminado. Ha nacido una estrella. Una estrella que, en esencia, es una esfera de plasma de unos pocos millones de kilómetros de diámetro que procede de la compactación de gran parte de la materia (el Sol representa el 99,86% del peso de todo el Sistema Solar) de una gigantesca nube de gas y polvo de cientos de años luz de diámetro.

Para terminar, cabe destacar que estas nebulosas proceden, a su vez, de los remanentes de otras estrellas, las cuales, al morir, expulsaron todo este material. Como vemos, en el Universo todo es un ciclo. Y cuando nuestro Sol muera dentro de unos 5.000 millones de años, la materia que expulse al espacio servirá de “molde” para la formación de una nueva estrella. Y así una y otra vez hasta el fin de los tiempos.

Y… ¿cómo muere una estrella?

Depende. Las muertes estelares son fenómenos muy misteriosos ya que es difícil detectarlos y estudiarlos. Además, seguimos sin saber cómo mueren estrellas pequeñas como las enanas rojas, pues, con su esperanza de vida de hasta 200.000 millones de años, todavía no ha habido suficiente tiempo en la historia del Universo como para que mueran. Todo son hipótesis.

Sea como sea, una estrella muere de una forma u otra dependiendo, de nuevo, de su masa. Estrellas del tamaño del Sol (o similar, tanto por arriba como por abajo), cuando agotan su combustible, colapsan bajo su propia gravedad, condensándonse enormemente en lo que se conoce como enana blanca.

Esta enana blanca es, básicamente, el remanente del núcleo de la estrella y, con un tamaño similar al de la Tierra (imaginemos que el Sol se condensa lo suficiente para dar lugar a un objeto del tamaño de la Tierra), son uno de los cuerpos más densos del Universo.

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Pero cuando aumentamos el tamaño de la estrella, las cosas cambian. Si la masa de la estrella es de 8 veces la masa del Sol, tras el colapso gravitatorio no se deja como remanente una enana blanca, sino que estalla en uno de los fenómenos más violentos del Universo: una supernova.

Una supernova es una explosión estelar que ocurre cuando una estrella masiva llega al final de su vida. Se alcanzan temperaturas de 3.000.000.000 °C y se emiten enormes cantidades de energía, además de radiaciones gamma capaces de atravesar toda una galaxia. De hecho, una supernova a varios miles de años luz de la Tierra podría provocar la desaparición de la vida en la Tierra.

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Y si esto no fuera suficientemente aterrador, si la masa de la estrella es 20 veces mayor a la del Sol, el colapso gravitatorio después de agotar su combustible ya no da lugar ni a una enana blanca ni a una supernova, sino que colapsa formando un agujero negro.

Los agujeros negros se forman tras la muerte de estrellas hipermasivas y son no solo los objetos más densos del Universo, sino los más misteriosos. Un agujero negro es una singularidad en el espacio, es decir, un punto de infinita masa y sin volumen, lo que implica que su densidad es, por matemáticas, infinita. Y esto es lo que hace que genere una gravedad tan alta que ni la luz puede escapar de su atracción. Por ello no podemos (ni podremos jamás) saber qué sucede en su interior.