Un fotón tarda más de 100 000 años en salir del núcleo del Sol

En el interior del sol se producen grandísimas cantidades de energía, que poco a poco van saliendo hacia la superficie. Este proceso requiere de incontable procesos de absorción y emisión y de células de convección que transportan la materia más caliente hacia las capas externas. Todo esto hace que un fotón pueda tardar 100 000 años en abandonar el Sol.

 

El Sol es una bola gigantesca de gas y plasma, tan caliente en su interior como para permitir la fusión de núcleos de hidrógeno y tan caliente en su superficie como para emitir luz capaz de calentar la superficie de la Tierra y de permitir la presencia de agua líquida y de vida sobre ella. Sin embargo, para que la energía producida en el interior llegue a salir de la estrella tiene que transcurrir mucho tiempo. La energía del Sol y de cualquier estrella, se produce en su núcleo, donde se dan las temperaturas y presiones necesarias para que tenga lugar la fusión nuclear. El hecho de que la superficie del Sol brille y esté tan caliente (en comparación con la de la Tierra, al menos) nos indica sin lugar a dudas que la energía producida en el núcleo debe encontrar una forma de llegar hasta la superficie, de disiparse. Veamos ahora cómo ocurre exactamente.

Las altísimas temperaturas del interior del Sol, que pueden llegar hasta los 15 millones de grados en su núcleo, garantizan abundantes y violentas colisiones entre las partículas del gas que lo componen. Estas partículas se moverán a altísimas velocidades, chocando unas con otras constantemente. Además, estas temperaturas significarán que el gas del núcleo estará ionizado. Los electrones se habrán desprendido de los núcleos atómicos, formando un denso plasma. En condiciones normales, en las que los electrones siguen unidos al núcleo atómico, los fotones de la luz podrán ser absorbidos por los átomos, excitando estos electrones o arrancándolos, si los fotones tienen energía suficiente.

Por tanto hay dos condiciones opuestas determinando cómo viaja un fotón por esta región del Sol. Por un lado, al no haber átomos sin ionizar, los fotones podrán viajar más libremente, pues será mucho menos probable encontrarse con un diminuto protón o electrón que con un, relativamente, gigantesco átomo. Pero por otro lado, al existir en el núcleo tan increíbles densidades, no podrán moverse sin encontrar rápidamente una partícula con la que interactuar. Cuando nos vamos alejando del núcleo la situación va cambiando, aunque no en la dirección que los fotones querrían. Al salir del núcleo, las temperaturas irán bajando rápidamente, de forma que las partículas allí presentes chocarán cada vez con menor energía y menor frecuencia, haciendo que más y más electrones puedan permanecer unidos a un núcleo atómico. Por otro lado la densidad también disminuirá rápidamente, aumentando la separación entre partículas.

Esto tendrá como consecuencia que, aunque hayan cambiado las condiciones, las capas medias del Sol sigan siendo opacas a la luz. Sin embargo sí habrá un cambio importante a unos 200 000 kilómetros de profundidad desde la fotosfera, la capa más externa del Sol, la que podríamos considerar como su superficie. Hasta entonces, en las capas más profundas del Sol, el transporte de energía estaba siendo por radiación. La energía estaba siendo transportada por los fotones, por la luz. En estas regiones la materia pesada (protones, neutrones, electrones) no tenía un movimiento neto, sino que estaba apelotonada y aplastada por las increíbles presiones, pero la luz sí podía disipar la energía producida en el núcleo hacia las capas exteriores. Llegados a estos 200 000 kilómetros de profundidad la cosa cambia, y ahora sí se produce un transporte neto de materia.

A esta profundidad se crea un patrón de células de convección, en las que el material más caliente y de menor densidad sube hacia la superficie y material más frío y denso cae hacia el interior del Sol. De esta forma la energía se transporta del interior al exterior, mediante el movimiento de grandes cantidades de materia. Esto por supuesto no es tan simple como podría parecer de la explicación anterior y estas células de convección se distribuyen en diferentes capas, de diferentes tamaños.  A la profundidad de 200 000 kilómetros estas células pueden tener varias decenas de miles de kilómetros de tamaño, siendo más grandes que la Tierra. Progresivamente las células van reduciendo su tamaño hasta que, a una profundidad de unos mil kilómetros tienen aproximadamente mil kilómetros de tamaño. La parte superior de esta última capa de células está en contacto con la fotosfera, que sí podemos observar directamente y que sí podemos estudiar en detalle para intentar conocer el interior del Sol.

El inicio de la fotosfera de hecho estaría marcado por el punto en el que la densidad del gas baja demasiado como para seguir haciendo posible el transporte de energía por convección. En la fotosfera la densidad puede llegar a ser de menos de un gramo por metro cúbico, miles de veces menor que la densidad de la atmósfera terrestre en superficie. Esta menor densidad también hace que el gas vuelva a ser transparente, pudiendo escapar la luz sin mayor impedimento, en dirección al espacio exterior y, ocasionalmente, a la Tierra.

En todo este transporte de energía desde que se produce en el núcleo del Sol hasta que se emite al exterior en la fotosfera, habrá incontables procesos de absorción y emisión de fotones por parte del material que forma las distintas capas del Sol. Según la región concreta, cada fotón podrá viajar apenas unas millonésimas de centímetro o varios centímetros antes de ser absorbido y reemitido. Todo esto proceso puede alargarse hasta el punto de que un fotón creado en el núcleo tarde 100 000 años, o más, en abandonar por completo la estrella. Por supuesto esta cantidad será diferente para cada protón individual, pero lo que es seguro es que tardará mucho más de los dos segundos y pico que tardaría en salir si pudiera viajar con total libertad o que tardan en salir los trillones de neutrinos que se producen cada segundo en las capas internas del Sol.

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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