Cómo las reacciones nucleares influyeron en la formación de las primeras estrellas        

Por: Instituto Max Planck para Física Nuclear.

28 de julio de 2025

Esquema de reacción y nivel energético de la reacción investigada del ión hidruro de helio con deuterio. De fondo, la nebulosa planetaria NGC 7027, con hidrógeno molecular visible en rojo. Credito de la imagen: MPIK, W. B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech), NASA.

        Inmediatamente después del Big Bang, ocurrido hace unos 13800 millones de años, el Universo se encontraba dominado por temperaturas y densidades inimaginablemente altas. Sin embargo, tras tan solo unos segundos, se había enfriado lo suficiente como para que se formaran los primeros elementos, principalmente hidrógeno y helio. Estos aún estaban completamente ionizados en ese momento, ya que la temperatura del Universo tardó casi 380000 años en descender lo suficiente como para que se formaran átomos neutros mediante la recombinación con electrones libres. Esto allanó el camino para las primeras reacciones químicas.

        La molécula más antigua que existe es el ion hidruro de helio (HeH⁺), formado a partir de un átomo de helio neutro y un núcleo de hidrógeno ionizado. Esto marca el inicio de una reacción en cadena que conduce a la formación del hidrógeno molecular (H₂), que es, con diferencia, la molécula más común del Universo. Los investigadores han estudiado por primera vez las reacciones de HeH⁺ con átomos de hidrógeno en condiciones similares a las del Universo primitivo, revelando discrepancias significativas con las teorías anteriores. Los resultados impactan significativamente nuestra comprensión de la química temprana del Universo y los procesos que contribuyeron a la formación de las primeras estrellas.

        Investigadores del Instituto Max-Planck de Física Nuclear (MPIK, por sus siglas en alemán) en Heidelberg han recreado con éxito esta reacción por primera vez en condiciones similares a las del Universo primitivo. Investigaron la reacción del HeH⁺ con el deuterio, un isótopo del hidrógeno que contiene un neutrón adicional en el núcleo atómico junto con un protón. Cuando el HeH⁺ reacciona con el deuterio, se forma un ion HD⁺ en lugar de H₂⁺, junto al átomo neutro de helio.

        El experimento se llevó a cabo en el Anillo de Almacenamiento Criogénico (CSR) del MPIK en Heidelberg, un instrumento único a nivel mundial para la investigación de reacciones moleculares y atómicas en condiciones similares a las del espacio. Para ello, se almacenaron iones HeH⁺ en el anillo de almacenamiento de iones de 35 metros de circunferencia durante un máximo de 60 segundos a unos pocos kelvins (-267 °C) y se superpusieron con un haz de átomos de deuterio neutro. Al ajustar las velocidades relativas de los dos haces de partículas, los científicos pudieron estudiar cómo varía la tasa de colisión con la energía de colisión, que está directamente relacionada con la temperatura.

Descubrieron que, contrariamente a predicciones anteriores, la velocidad a la que se produce esta reacción no disminuye al disminuir la temperatura, sino que permanece casi constante. “Las teorías anteriores predecían una disminución significativa en la probabilidad de reacción a bajas temperaturas, pero no pudimos verificarlo ni en el experimento ni en los nuevos cálculos teóricos de nuestros colegas”, explica el Dr. Holger Kreckel del MPIK.

“Por lo tanto, las reacciones de HeH⁺ con hidrógeno neutro y deuterio parecen haber sido mucho más importantes para la química en el Universo primitivo de lo que se suponía anteriormente”, continúa. Esta observación es consistente con los hallazgos de un grupo de físicos teóricos dirigido por Yohann Scribano, quien identificó un error en el cálculo de la superficie potencial utilizada en todos los cálculos previos para esta reacción. Los nuevos cálculos que utilizan la superficie potencial mejorada ahora se alinean estrechamente con el experimento CSR.

Dado que las concentraciones de moléculas como HeH⁺ e hidrógeno molecular (H₂ o HD) jugaron un papel importante en la formación de las primeras estrellas, este resultado nos acerca a resolver el misterio de su formación.

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