Minerales – Ur, los primeros cristales en el Cosmos
En esta entrada, platicaremos sobre los inicios más tempranos de la mineralogía en el cosmos, los cuales comenzaron con una docena de minerales-ur, granos microscópicos que cristalizaron en las envolturas de supernovas energéticas ricas en carbono y en los vientos solares de estrellas gigantes rojas.
El diamante y el grafito fueron los primeros, seguidos de un modesto conjunto de carburos de alta temperatura, nitruros, óxidos y minerales de silicato. Esos cristales sobreviven hasta nuestros días en forma de granos presolares, los objetos más antiguos que podemos estudiar en el laboratorio.
La Formación de Minerales
Se han propuesto varias definiciones diferentes de «mineral», pero todas tienen tres características clave: un mineral (1) Ocurre de manera natural (2) es un sólido cristalino con una (3) composición química más o menos bien definida. Cada una de las más de 4,700 especies minerales conocidas se ajusta a esta definición.
La historia de la riqueza mineralógica de la Tierra comenzó hace varios miles de millones de años, en el vacío negro del espacio, mucho antes del origen de nuestro sistema solar. Ciertamente no hubo minerales justo después del Big Bang. En aquellos tiempos tempranos de un cosmos inimaginablemente caliente y denso, ni siquiera había átomos.
Incluso después de unos pocos cientos de miles de años, cuando se formaron los primeros átomos de hidrógeno y helio, con una pizca del elemento de litio arrojado, no había cristales. Era simplemente demasiado caliente.
Además, el hidrógeno y el helio son gases. Los minerales se forman principalmente a partir de los elementos más pesados, y los elementos más pesados se forman en las estrellas por los procesos de nucleosíntesis. Eso significa que el primer mineral debe haberse formado después de que las primeras estrellas crearan elementos más pesados, carbono y más.
Esa primera población de estrellas estaba compuesta casi totalmente de hidrógeno y helio, pero las grandes estrellas ricas en hidrógeno pasan por una serie de reacciones de fusión: El hidrógeno se fusiona para producir más helio y libera mucha energía. Por eso brillan las estrellas. irradian algo de esa energía nuclear. Luego, el helio se fusiona para producir carbono y libera más energía, y el carbono se fusiona en una sucesión de otras reacciones nucleares energéticas que producen oxígeno, nitrógeno, magnesio, aluminio, silicio, titanio, hasta el elemento 26, que es el hierro.
En las etapas finales de la evolución de una gran estrella, la estrella está en capas como una cebolla, con hidrógeno y helio en el exterior y luego capas ricas en carbono, oxígeno, magnesio y silicio. Esos son todos elementos comunes que pueden formar minerales, pero inicialmente fueron atrapados en estrellas, y las estrellas están hechas de plasma supercaliente, demasiado caliente para formar cristales. No pueden existir minerales en los vapores incandescentes de las estrellas.
Pero las estrellas más grandes tienen al menos dos “trucos” de formación de minerales en “sus mangas”. El evento de formación de minerales más dramático en el cosmos es la supernova. Cuando una estrella grande se fusiona completamente con el hierro, las reacciones de fusión simplemente se detienen. Hasta ese momento, la estrella jugó un acto de equilibrio entre dos fuerzas épicas: La gravedad empujó toda la masa de la estrella hacia adentro, mientras que las reacciones nucleares empujaron hacia afuera. Pero el hierro es la ceniza nuclear definitiva. No hay forma de obtener energía fusionando el hierro con nada, por lo que la fuerza externa simplemente se detiene y la gravedad se hace cargo.
Es difícil imaginar cómo es el repentino colapso de una estrella, pero la gravedad es tan fuerte que las capas externas de una estrella colapsada alcanzan velocidades relativistas, una fracción significativa de la velocidad de la luz. Y cuando toda esa masa se derrumba hasta el núcleo de la estrella, “rebota” en una explosión épica (Una supernova) que dispara todos esos elementos químicos hacia el espacio.
Los primeros minerales
Antes de la primera estrella explosiva, quizás en un momento en que el universo tenía unos pocos millones de años, nunca había existido un lugar que fuera lo suficientemente denso con elementos formadores de minerales y que también fuera lo suficientemente frío como para condensar cristales. Pero cuando una estrella moribunda explota en una supernova, la envoltura gaseosa rica en elementos de la estrella se expande y, a medida que se expande, se enfría rápidamente, enfriando primero las capas externas.
Es por eso que se especula que el primer mineral en la historia del cosmos fue el diamante, que es carbono puro que cristalizó en los confines externos de la primera explosión de supernova. La concentración de carbono era lo suficientemente alta, y la temperatura «lo suficientemente fría» (4.000 grados por encima del cero absoluto), por lo que los cristales de diamante podían crecer.
El diamante fue el primero en virtud de dos hechos: Había mucho carbono y los cristales de diamante se forman a una temperatura excepcionalmente alta, mucho más alta que casi cualquier otra sustancia conocida.
Poco después de que apareciera el diamante, también se formó la otra forma común de carbono puro, llamado grafito, con una temperatura de cristalización ligeramente más baja pero todavía extremadamente alta (Alrededor de 3.500 grados sobre el cero absoluto).
Es difícil imaginar dos minerales que son más diferentes entre sí. El diamante es transparente y brillante, mientras que el grafito es opaco y negro: es el material del lápiz. El diamante es la sustancia más dura conocida y se usa como abrasivo, mientras que el grafito es uno de los sólidos más suaves y se usa como lubricante. El diamante es una de las gemas más valiosas, mientras que el grafito es común y barato.
Entonces, ¿cómo podría el carbono puro formar dos materiales tan contrastantes? La respuesta se encuentra en sus muy diferentes estructuras cristalinas. En el diamante, cada átomo de carbono está unido en una pequeña pirámide a otros cuatro, una disposición que hace que la red de átomos sea increíblemente fuerte. El grafito, por el contrario, presenta átomos de carbono unidos en un plano a solo otros tres. Así que el grafito tiene láminas de átomos muy fuertes, pero las láminas están unidas débilmente entre sí.
El diamante y el grafito fueron los primeros de lo que ahora se conoce como “minerales-ur”. La referencia a “Ur” recuerda las raíces más antiguas de la civilización humana en la ciudad de Ur, de 5.000 años, en Mesopotamia, ubicada en lo que hoy es Irak. El prefijo «ur» se ha aplicado en varios contextos a la versión original de algo.
El término «minerales-ur» se refiere a los primeros cristales del cosmos, el punto de partida de tal vez una docena de diferentes especies minerales en total. Estos minerales incluyen cohenite y moissanite (Carburos); nierita y osbornita (Nitruros); hibonita óxido de calcio-aluminio, espinela, corindón óxido de aluminio y rutilo (Óxidos); y olivina forsterita y piroxeno enstatita (Silicatos de magnesio).
Una explosión de supernova puede no ser la única forma en que las estrellas pueden hacer pequeños cristales minerales. Las estrellas gigantes rojas son estrellas viejas que han pasado la mayor parte de sus vidas en la fase de combustión del hidrógeno, pero la mayor parte del hidrógeno en el núcleo se ha agotado.
Las estrellas gigantes rojas han entrado en su etapa de quema dinámica de helio, por lo que producen una gran cantidad de carbono, que es el principal subproducto de la fusión de los átomos de helio. Las estrellas gigantes rojas son tan enérgicas que no se acomodan fácilmente. Pasan por ciclos asombrosos de expansión y contracción, y pueden generar vientos solares muy intensos ricos en carbono.
La estrella en este modo produce inmensas cantidades de carbono, y parte de ese carbono se expulsa hacia el espacio circundante más frío. Entonces, como en una explosión de supernova, si la densidad de los átomos de carbono es lo suficientemente grande y la temperatura es lo suficientemente fría, se formarán diamante y grafito.
El primero de estos minerales-ur, incluidos los cristales de diamante y grafito ricos en carbono, junto con otras 10 especies, se formó muy temprano en la historia del universo, probablemente en los primeros pocos millones de años del Big Bang, y todos han estado presentes Continuamente a lo largo de la historia posterior de la creación.
En los elementos químicos involucrados en estos primeros cristales, la docena de minerales-ur, solo hay 9 elementos: Carbono, nitrógeno y oxígeno (Elementos 6 a 8); magnesio, aluminio y silicio (Elementos 12 a 14); calcio (Elemento 20); titanio (Elemento 22); y hierro (Elemento 26). Todos estos elementos siguen desempeñando roles clave en la Tierra hoy en día.
Es igualmente revelador considerar los elementos químicos que no se formaron, incluidos los elementos más abundantes, el hidrógeno y el helio. Además, no vemos los elementos 3 a 5: Litio, berilio y boro. El sodio y el cloro, los elementos comunes de la sal de mesa, también faltan, al igual que los elementos biológicos esenciales, el azufre y el fósforo.
Tres razones contribuyen a qué minerales aparecen y cuáles no, y estas tres razones contienen lecciones que se repetirán una y otra vez en nuestra consideración de la evolución de los minerales. Primero es la abundancia. Algunos elementos son demasiado raros para encontrarse y formar un cristal en el entorno caótico de una envoltura estelar. El segundo es la química. Algunos elementos abundantes, como el helio, el neón y el argón (Que forman la última columna de la tabla periódica) simplemente no forman minerales. Permanecen en el estado gaseoso en prácticamente todos los entornos cósmicos. La tercera razón por la que algunos elementos no forman minerales-ur es la temperatura. Todos los minerales-ur se cristalizan a temperaturas extremadamente altas porque sus elementos se combinan con enlaces extremadamente fuertes. Los elementos sodio, cloro y azufre, por el contrario, se unen de manera más débil, por lo que forman cristales a temperaturas relativamente bajas. Los minerales que contienen hidrógeno generalmente se descomponen a temperaturas aún más bajas. Así que no hay posibilidad de que aparezcan en la lista de minerales-ur.
Evidencia de los Minerales-Ur
Existe evidencia sólida y real de minerales-ur en forma de granos de polvo microscópicos que constantemente llueven del espacio y son, con mucho, los objetos más antiguos que conocemos. Estos son los granos presolares, los restos raros de los bloques de construcción originales de nuestro sistema solar.
Cuando las estrellas y los planetas se forman en una nebulosa de polvo y gas, la mayor parte de la nebulosa es hidrógeno y helio: Aproximadamente el 90 por ciento de hidrógeno y el 9 por ciento de helio, con el resto del polvo.
A medida que se formaba el sistema solar, el 99.9 por ciento de esas materias primas se quedaron en el Sol, mientras que casi todo el 0.1 por ciento restante formaba los planetas, satélites, asteroides y cometas. Pero una pequeña, pequeña fracción de un porcentaje del polvo original nunca fue capturada por la gravedad, o simplemente quedó atrapada en la superficie de un meteorito y fue secuestrada allí durante la mayor parte de los 5.000 millones de años.
Los granos presolares se encuentran concentrados en dos lugares principales. Algunos granos han sido recolectados muy alto en la atmósfera por la flota de aviones espía U-2 especialmente modificados de la NASA que tienen un tipo de papel pegado a sus alas. Los primeros estudios de granos presolares se basaron en estas muestras estratosféricas.
En los tiempos modernos, la mayoría de los granos presolares no provienen de la atmósfera superior, sino de los meteoritos. Resulta que los meteoritos primitivos concentran y conservan algunos de los fragmentos originales e inalterados de nuestra nebulosa. Con cuidado, es posible identificar y aislar fragmentos tan antiguos de materia cósmica.
Referencias
Robert M. Hazen
Stardust – The Cosmic Seeds of Life
Sun Kwok
Minerals: Their Constitution and Origin
Hans-Rudolf Wenk and Andrei Bulakh