Contenido

1. Introducción
2. ¿Cómo funciona el sol?
   • Historia
   • Estado del modelo solar estándar hoy
   • Heliosismología
3. Problemas de los neutrinos solares
   • ¿Qué son los neutrinos?
   • Neutrinos esperados del sol
   • Experimentos de neutrinos solares
4. Soluciones a los neutrinos solares
   • ¿Solución solar o solución de neutrinos?
   • Oscilaciones de neutrinos
   • Experimentos de neutrinos no solares
   • Soluciones propuestas
   • Conclusiones sobre neutrinos
5. Argumentos creacionistas solares
   • Encogimiento
   • Neutrinos y fusión solar
   • Litio, berilio y heliosismología
   • Sol joven débil
   • Sol cristalino
6. Referencias

Introducción

El sol brilla desde un cielo azul, entregando mil vatios de energía a cada metro cuadrado de la Tierra. Lo ha estado haciendo desde tiempos inmemoriales, sin cambios notables. La única fuente de energía razonable que conocemos, capaz de mantener al sol funcionando de esa manera, es la fusión nuclear. Un subproducto inevitable de la fusión es un flujo copioso de partículas llamadas neutrinos. Los detectores de neutrinos en la Tierra sí encuentran neutrinos provenientes del sol, y el flujo observado es del orden de magnitud correcto, confirmando que la fusión está ocurriendo realmente en el sol.

Pero cuando los cálculos detallados del flujo de neutrinos esperado se confrontaron con las mediciones, hace unos 30 años, se encontró una discrepancia significativa. Solo se pudieron encontrar aproximadamente la mitad de los neutrinos esperados. Esta anomalía persistió hasta hace muy poco tiempo y se conoce como el "problema de los neutrinos solares". Para todos los detalles minuciosos del problema de los neutrinos solares tal como apareció antes de ser resuelto, consulte el libro autorizado de John Bahcall Neutrino Astrophysics (Bahcall 1989), complementado por sus actualizaciones más recientes (Bahcall 1997a; Bahcall & Krastev & Smirnov 1998), y con una introducción más accesible en Bahcall (1990).

Al igual que con muchas otras anomalías en la ciencia, los creacionistas (por ejemplo, Oard 1995, Snelling 1997, Sarfati 2000) han invocado el problema de los neutrinos solares como evidencia de problemas más fundamentales en la ciencia ortodoxa "uniformitarista". Se argumenta, en resumen, que como el flujo de neutrinos es incorrecto, no puede haber suficiente fusión en el sol, en cuyo caso el sol no puede seguir brillando durante miles de millones de años, por lo que debe haber sido creado recientemente.

En este FAQ, primero describiré la visión estándar del funcionamiento interno del sol, y luego pasaré a los neutrinos, qué son y qué esperamos de ellos provenientes del sol. Después de eso, discutiré varias soluciones posibles al problema de los neutrinos solares. Finalmente, se tratarán los argumentos creacionistas concernientes a los neutrinos solares y otras anomalías solares, reales y ficticias. Esta sección final, con respuestas a afirmaciones creacionistas, es bastante corta; la mayor parte del faq se encuentra en las extensas secciones introductorias, que contienen todo el conocimiento de fondo necesario para comprender las respuestas.

¿Cómo funciona el sol?

Hoy en día tenemos una imagen coherente de la estructura y función internas del Sol, respaldada por varias líneas independientes de evidencia. Sin embargo, este modelo solar es una construcción relativamente reciente, y la evidencia que lo apoya aún más reciente.

Historia

Las especulaciones sobre la naturaleza del sol son tan antiguas como la historia registrada, pero no me extenderé sobre las versiones más fantásticas de la antigüedad, ya que no son pertinentes para el problema de los neutrinos solares. Si nos restringimos al estudio serio del sol, el siglo XIX es un buen lugar por donde empezar, con tres descubrimientos importantes:

• El concepto de energía y la maquinaria termodinámica asociada, que condujeron a la comprensión de que el flujo de energía solar debe provenir de alguna parte.
• El descubrimiento de que el Sol no es único, sino que tiene contrapartes entre las estrellas. Cada estrella es un Sol.
• El descubrimiento (a través de la espectroscopía) de que el Sol está compuesto por los elementos químicos estándar, los mismos que encontramos aquí en la Tierra, y que brilla con una temperatura de alrededor de 6000 grados C.

Una de las teorías principales sobre la formación del sol fue (y es) la teoría nebulosa del siglo XVIII de Kant y Laplace, en la que el sol se formó a través de la contracción gravitacional de una gran nube de gas. La energía gravitacional potencial de la nube se liberaría como calor a medida que se contraía, y Hermann Helmholtz se dio cuenta de que esta era una fuente de energía posible para el sol, siempre que todavía estuviera en la fase de contracción. William Thomson (mejor conocido como Lord Kelvin) desarrolló y propagó esta teoría durante las últimas décadas del siglo XIX. Sin embargo, era claro que esta fuente de energía, aunque abundante según los estándares humanos, no podía durar para siempre. Varias cálculos dieron límites del orden de unos cuantos decenas de millones de años de sol constante: "...creo que sería extremadamente imprudente asumir como probable cualquier cosa más de veinte millones de años de luz solar en la historia pasada de la Tierra, o contar con más de cinco o seis millones de años de luz solar para el futuro" (Thomson 1889, p 369).

Esta edad fue problemática para muchos; era demasiado larga para los literalistas bíblicos, pero demasiado corta para los geólogos y biólogos, quienes podían ver que la Tierra y su fauna tenían una historia mucho más larga. Los físicos como el Lord Kelvin, sin embargo, no se preocupaban por la opinión de los literalistas ni de los biólogos, por lo que sus argumentos tuvieron poco impacto. Pero esta edad para el Sol también era problemática en astronomía; el Sol era solo una estrella entre muchas, y si se asumía, razonablemente, que todas las estrellas funcionaban de la misma manera, surgían contradicciones. Por un lado, la escala de tiempo para la contracción gravitacional varía fuertemente con el tamaño de la estrella (Eddington 1916, 1917; Hayashi 1961); las estrellas más grandes colapsan y se enfrían mucho más rápido que las de tamaño solar. Después de veinte millones de años, todas las estrellas grandes deberían haber desaparecido, si hubieran sido creadas al mismo tiempo que el Sol.

Alternativamente, uno podría asumir que el nacimiento de estrellas es un proceso continuo, de modo que el cielo esté lleno de estrellas de todas las diferentes edades. Pero en ese caso, no debería haber ningún patrón particular si se comparan los tamaños, temperaturas y luminosidades de las estrellas. Estrellas de todos los tamaños deberían comenzar frías, calentarse y densificarse, y luego finalmente enfriarse de nuevo y terminar como objetos compactos fríos. Las estrellas más grandes y masivas deberían ser generalmente más luminosas que las más pequeñas, pero no hay razón para esperar una relación con la temperatura. Esto entra en franca contradicción con el descubrimiento de Hertzsprung y Russell (Hertzsprung 1905; Russell 1914) de que la gran mayoría de las estrellas sí muestran tal patrón, cuando se plotean en lo que ahora se conoce como diagrama de Hertzsprung-Russell (por ejemplo, aquí). Eddington (1924) desarrolló estas ideas más adelante y demostró que la única conclusión razonable es que las estrellas comienzan contrayéndose (y brillando por energía gravitacional), pero que luego alcanzan el equilibrio a lo largo de lo que ahora se conoce como la "secuencia principal". La energía gravitacional no puede explicar ese equilibrio; se necesita una nueva fuente de energía.

Otro argumento proviene de las estrellas variables (Eddington 1920). Muchas estrellas oscilan regularmente, pero una contracción continua cambiaría mediblemente la frecuencia de oscilación, en un lapso de décadas. Tales cambios no habían sido observados, lo que llevó a fuertes límites superiores sobre la posible tasa de contracción, inconsistentes con lo que predice la teoría de la energía gravitacional.

Por lo tanto, la búsqueda de una nueva fuente de energía para el sol no, como se cree comúnmente, surgió principalmente del deseo de proporcionar tiempo suficiente para la evolución biológica. Por el contrario, Kelvin y otros estaban muy decididos en su opinión de que la biología y la geología tendrían que adaptarse a la escala de tiempo dada por la física del siglo XIX, y olvidar los billones de años (Barnes 1974). Pero, como hemos visto, a principios del siglo XX se descubrió que era necesaria una nueva fuente de energía por razones puramente astronómicas. La estructura interna de las estrellas había sido determinada por Eddington y otros (Eddington 1920), mucho antes del descubrimiento de la fusión nuclear, y se encontró que era consistente con las observaciones astronómicas solo si se postulaba una nueva fuente de energía.

En la búsqueda de una nueva fuente de energía que tuvo lugar a principios del siglo XX, la radiactividad (descubierta de manera fortuita por Henri Becquerel en 1896) desempeñó un papel destacado. Eddington (1920) especuló sobre la posibilidad de la transmutación de elementos, siguiendo el patrón de los experimentos de Rutherford, realizados recientemente en ese momento. Muchos otros, notadamente George Gamow, contribuyeron a este debate a lo largo de los años 20 y 30, pero Bethe (1939) es generalmente considerado como la obra seminal, estableciendo la fusión como una fuente de energía viable para las estrellas.

A través del trabajo de Bethe y otros, se comprendió rápidamente que la fusión era eminentemente adecuada como fuente de energía deseada para las estrellas. Todos los diversos patrones y relaciones entre masa, temperatura, luminosidad y demás, que se conocían en ese momento, se explicaban adecuadamente postulando la fusión en el interior estelar. Y las condiciones imperantes dentro del sol y otras estrellas (calculadas por Eddington (1916, 1917) y otros mucho antes del trabajo de Bethe) eran precisamente aquellas en las que las reacciones de fusión procedían a una tasa apropiada. Casi por casualidad, también resultó que la vida útil de un sol impulsado por fusión es del mismo orden de magnitud que la edad de la Tierra, resolviendo el problema de los geólogos.

Estado del modelo solar estándar hoy

El estado del modelo solar estándar hoy en día no puede describirse de otra manera que como de excelente salud. Casi todo encaja perfectamente, incluso los neutrinos de hoy en día. El Sol es una enorme esfera de gas ionizado, principalmente hidrógeno y helio, con un porcentaje de todos los demás elementos mezclados. Lo que es directamente observable son las condiciones de la superficie, y la masa total y la luminosidad. Estos observables, junto con la suposición de que la física tal como la conocemos también se aplica en el interior, son suficientes para calcular en considerable detalle lo que ocurre dentro del Sol. No es necesario hacer ninguna suposición específica sobre la edad del Sol, ni sobre su fuente de energía.

Los cálculos tempranos (precomputador) se realizaron asumiendo que el sol está cerca del equilibrio, brillando en un estado estacionario. Esta sigue siendo una aproximación bastante buena, pero requiere asumir que el sol es lo suficientemente viejo como haber alcanzado el equilibrio. Los modelos más completos comienzan en su lugar con un sol de edad cero (o incluso con una nube de gas colapsante), y luego siguen el desarrollo del sol hasta que las condiciones de superficie calculadas coinciden con las observadas hoy. Estos modelos hacen menos suposiciones, pero las ecuaciones no pueden resolverse de otra manera que numéricamente, y aún así requieren cantidades considerables de tiempo de computadora.

Las ecuaciones de equilibrio se describen y derivan en cualquier buen libro de texto de astrofísica, como el de Karttunen et al. (1994), que es el que sigo aquí. Existen cuatro condiciones principales de equilibrio:

• Equilibrio hidrostático: la presión dentro del sol es, en todos los radios, suficiente para soportar el peso del material que hay encima. Cualquier desviación del equilibrio aquí causaría que el sol cambiara drásticamente en una escala de tiempo de horas, lo cual obviamente no es el caso.
• Distribución de masa: el perfil de densidad dentro del sol, integrado sobre todo el volumen, debe dar la masa total del sol, bien conocida de los estudios orbitales.
• Flujo de energía: la energía transportada hacia afuera a través del sol debe, en todos los radios, ser igual a la energía producida (por cualquier medio) dentro de ese radio. En la superficie, el flujo de energía debe ser igual a la luminosidad medida.
• Gradiente de temperatura: el gradiente de temperatura desde el centro hasta la superficie debe ser tal que el flujo de energía se impulse al ritmo adecuado, mientras que al mismo tiempo la temperatura a todas las profundidades debe ser consistente con la presión y la densidad del gas a esa profundidad, de acuerdo con las versiones de alta temperatura de las leyes de los gases estándar.

La ecuación del flujo de energía se complica aún más por el hecho de que existen dos mecanismos competidores de transporte de energía de magnitud comparable en las estrellas: la radiación y la convección (la conducción térmica es despreciable). El transporte de energía radiativa ocurre cuando la radiación es emitida por material más caliente y reabsorbida por material más frío situado más lejos del centro; este proceso siempre está operativo, pero su eficiencia depende fuertemente de la transparencia del material. La convección, el movimiento de ascenso familiar que se puede observar al calentar sopa en una olla, ocurre siempre que la densidad del material subyacente es menor que la densidad del material que está encima. Es un modo muy eficiente de transporte de energía, pero solo está operativo en ciertas partes del sol, donde el gradiente de densidad es el adecuado. Una diferencia crucial entre la radiación y la convección es que el material solar se mezcla y homogeneiza en aquellas partes donde ocurre la convección, pero no se mezcla mediante el transporte radiativo. El equilibrio exacto entre la radiación y la convección es diferente en diferentes tipos de estrellas; en nuestro sol la convección ocurre en el 30% más externo, mientras que solo el transporte radiativo está operativo en el núcleo. Pero la producción de energía tiene lugar casi exclusivamente en el núcleo, por lo que cualquier nuevo elemento formado a través de procesos nucleares permanece donde está y no se dispersa por todo el sol.

Resolver este sistema de cuatro ecuaciones diferenciales proporciona el estado interno del sol (o de cualquier otra estrella) en términos de presión, temperatura y densidad, utilizando la física de laboratorio estándar, asumiendo únicamente que está brillando en un estado estacionario.

Al pasar al siguiente paso, con un modelo numérico completo de desarrollo estelar, se obtendrá información adicional sobre la edad, la composición y los procesos internos de la estrella. Se utilizan un conjunto de ecuaciones muy similar, con las condiciones de equilibrio relajadas, y la estrella se sigue a través de su desarrollo desde el nacimiento hasta el día de hoy (o más allá, si se desea), teniendo en cuenta todos los procesos y fuentes de energía conocidos que puedan estar operando. Se tiene en cuenta la energía de contracción de Helmholtz, así como los diversos procesos nucleares posibles, siempre que las condiciones sean las adecuadas para ellos.

Una vez realizados los cálculos, se encuentra que la energía de Helmholtz domina durante el colapso inicial, hasta que la temperatura y la densidad en el centro alcanzan lo suficiente para la ignición de la fusión. Después de un período muy breve de fusión de deuterio, la reacción principal de fusión se activa (en el caso del sol, fusión protón-protón), y la estrella se estabiliza en un estado de casi equilibrio en el que permanece durante la mayor parte de su vida. Durante esta fase estable, la luminosidad de la estrella aumenta lentamente, del orden del cinco por ciento por mil millones de años en el caso del sol, un hecho al que volveremos bajo el encabezado "Sol joven tenue". Estrellas de diferente masa inicial alcanzan el equilibrio a diferentes temperaturas y luminosidades, siguiendo lo que los astrónomos llaman "La Secuencia Principal". Esta secuencia de equilibrio reproduce y explica perfectamente el patrón encontrado por Hertzsprung y Russell (Hertzsprung 1905; Russell 1914). Sin embargo, si la fusión no fuera operativa por alguna razón, no se alcanzaría el equilibrio y no se debería observar ningún patrón.

Este proceso puede utilizarse para calcular la edad de una estrella. En el caso del Sol, el resultado concuerda bien con las expectativas derivadas de la datación radiométrica del resto del sistema solar (alrededor de 4.55 mil millones de años (Strahler 1987)), lo que lleva a una edad predicha para el Sol de 4.563 – 4.576 mil millones de años (Wasserburg 1995)). Guenther & Demarque (1997) encuentran 4.5± 0.1 mil millones de años para la edad del Sol, mientras que Brun & Turck-Chieze & Morel (1998) favorecen una edad más cercana a 4.6 mil millones de años, al igual que Dziembowski et al (1998). Los tres resultados son muy consistentes con las predicciones de las teorías estándar de formación del sistema solar. Para otras estrellas, los resultados son menos precisos, lo cual es natural dada nuestra conocimiento limitado de ellas; algunos ejemplos, junto con una descripción del proceso de datación, pueden encontrarse en Ford & Rasio (1998).

Los cálculos del modelo solar estándar se describen en detalle en diversas obras de John Bahcall y colaboradores (Bahcall 1989; Bahcall & Pinsonneault 1995; Bahcall & Basu & Pinsonneault 1998). Bahcall & Pinsonneault (1995) es el artículo de revisión estándar al que se refieren la mayoría de las demás personas. Para otra revisión excelente, con una presentación detallada de los supuestos y complicaciones, así como una perspectiva crítica sobre Bahcall et al., véase Dar & Shaviv (1996; también Dar 1998). Dos cuestiones cruciales en la física solar son las tasas de reacción nuclear bajo condiciones solares (Adelberger et al 1998; Junker 1998) y la opacidad del material solar (Iglesias & Rogers 1996).

Heliosismología

Los cálculos del modelo solar proporcionan solo un conocimiento indirecto del interior solar, dejando espacio para el cuestionamiento y la duda. El hecho de que los modelos sí converjan en una imagen consistente del Sol y sean capaces de reproducir las condiciones actuales de la superficie utilizando la física conocida y condiciones iniciales razonables es, por supuesto, una fuerte señal de que los modelos no están completamente equivocados. No obstante, sería deseable una verificación independiente. La heliosismología proporciona precisamente tal verificación independiente doble del modelo.

La sismología aquí en la Tierra es la ciencia de los terremotos, por lo que la heliosismología trata sobre los "terremotos solares". Y los terremotos solares pueden utilizarse para sondear el interior del Sol, de la misma manera que los sismólogos terrestres han podido mapear el interior de la Tierra utilizando terremotos. La forma en que las ondas de choque se propagan a través de la materia depende, en primer lugar, de si es un sólido o un fluido. Las ondas de choque de los terremotos pueden ser ondas de presión (ondas P) o ondas de cizalla (ondas S). Las ondas P se propagan a través de cualquier cosa (excepto el vacío), pero las ondas S solo pueden viajar en un sólido. El hecho de que las ondas S no penetren en algunas partes del núcleo de la Tierra ha llevado a la conclusión de que esas partes son líquidas. Del mismo modo, el hecho de que no observamos ondas S en el Sol demuestra que el Sol no es sólido, sino fluido en toda su extensión. Se observan muchas ondas P, a muchas frecuencias diferentes.

El Sol vibra y late constantemente, a diversas frecuencias, causando vibraciones superficiales que pueden observarse desde la Tierra. A partir del patrón de vibraciones superficiales, la velocidad de las ondas P a diferentes profundidades puede derivarse mediante un procedimiento matemático algo laborioso que no detallaré aquí. Gough et al (1996a) ofrecen una introducción, al igual que Bahcall (1989). Para más detalles, véase, por ejemplo, Christensen-Dalsgaard (1997) o Guenther & Demarque (1997), y las referencias allí contenidas, así como una amplia gama de artículos en Science del 31 de mayo de 1996: (Hathaway et al, 1996; Thompson et al, 1996; Gough et al, 1996b; Hill et al, 1996; Christensen-Dalsgaard et al, 1996; Harvey et al, 1996; Hellemans, 1996). Introducciones no técnicas a todos los niveles (desde jardín de infantes hasta universidad) pueden encontrarse en http://solar-center.stanford.edu/heliopage.html.

La velocidad de las ondas P es la velocidad del sonido en el material, la cual, para un gas, depende de la temperatura y el peso molecular medio. Por lo tanto, la velocidad del sonido a diferentes profundidades en el sol puede predecirse a partir de los cálculos del modelo solar estándar y compararse con las mediciones heliosismológicas. Brun & Turck-Chieze & Morel (1998) proporcionan comparaciones entre el modelo solar y las mediciones heliosismológicas, tanto para la velocidad del sonido como para las frecuencias vibratorias reales que miden los heliosismólogos. Las frecuencias concuerdan con una precisión superior a un microhertz, y las velocidades del sonido con una precisión superior al uno por ciento en todo el sol (muchísimo mejor que el uno por ciento en gran parte, con una desviación completa de un solo por ciento solo justo en la frontera entre la convección y la radiación). Comparaciones similares pueden encontrarse en numerosos otros artículos recientes, como Bahcall & Basu & Pinsonneault (1998) o Christensen-Dalsgaard (1997). La concordancia entre el modelo y los datos fue buena desde el principio (Christensen-Dalsgaard et al 1996), pero diversas refinaciones en el modelo solar (no ajustándolo para que encaje con los datos, sino teniendo en cuenta procesos que anteriormente habían sido ignorados, notablemente la difusión) han mejorado aún más el ajuste (Bahcall 1998).

En resumen, las mediciones heliosismológicas confirman fuertemente las predicciones del modelo solar estándar y restringen severamente las teorías no ortodoxas sobre el Sol.

Problemas de los neutrinos solares

Los neutrinos son partículas elusivas que se emiten en una variedad de reacciones nucleares y desintegraciones. Son relevantes para el sol, porque son un subproducto inevitable de la fusión nuclear, y porque son el único tipo conocido de partícula que puede escapar del núcleo del sol sin interactuar, trayendo información directa sobre el interior solar. Esta posibilidad fue notada tempranamente, pero las dificultades experimentales retrasaron la búsqueda de neutrinos solares hasta la década de 1960, cuando John Bahcall (1964) calculó una predicción específica para el flujo de neutrinos, y Raymond Davis (1964) propuso probar la predicción. Desafortunadamente, cuando los resultados de Davis et al. (1968) llegaron posteriormente, no coincidieron con la predicción. Esa fue la raíz de lo que se conocía como el problema de los neutrinos solares.

¿Qué son los neutrinos?

Curiosamente, el neutrino fue inventado primero como una hipótesis ad hoc, con el fin de salvar las leyes de conservación de la energía y el momento lineal de la falsificación. Alrededor de 1930, en los primeros estudios detallados de los desintegraciones beta radioactivas, se descubrió que en cada desintegración faltaba cierta energía y momento. La desintegración beta implica la conversión de un neutrón en un protón, acompañada de la emisión de un electrón, y nada más visible. La energía llevada por el electrón debería coincidir con la energía liberada por el átomo en el proceso – ¡pero no lo hizo! Wolfgang Pauli propuso explicar esta discrepancia postulando que se emitía una partícula adicional e invisible junto con el electrón, llevándose la energía y el momento faltantes. Esta "partícula fantasma" fue nombrada neutrino. (Para algunas de las reflexiones originales de Pauli sobre el neutrino, véase Mössbauer (1998).

Ahora, las hipótesis ad hoc, inventadas puramente para salvar nuestras teorías favoritas, generalmente son desaconsejadas en la ciencia, y por buena razón. Pero la hipótesis del neutrino fue finalmente validada, cuando la partícula fantasma fue finalmente demostrada a tener una existencia real, más de veinte años después. Hoy, el neutrino está bien establecido como compañero del electrón en nuestra teoría estándar de partículas elementales. Tiene las mismas propiedades básicas que el electrón, y participa en las mismas interacciones, excepto que carece de carga eléctrica, y tiene una masa casi nula.

Además, existen tres familias de partículas elementales, cada una de las cuales consta de dos quarks y dos leptones. Los quarks son constituyentes de protones y neutrones, y no nos preocupan más en este contexto. Leptón es el término colectivo para electrones y neutrinos y sus parientes en las otras familias. El electrón y el (electrón-)neutrino forman el par leptónico de la primera familia. En las otras dos familias, los equivalentes del electrón se llaman muón y tau, cada uno con su pareja de neutrino, llamada neutrino muónico y neutrino tauónico. Así que tenemos tres leptones cargados diferentes: electrón, muón y tau; y tres neutrinos, uno asociado con cada uno de los tres leptones cargados (aunque no fue hasta recientemente que el neutrino tauónico fue realmente observado (Antia 1998))). Las partículas correspondientes en diferentes familias son idénticas, salvo por tener masas diferentes.

Neutrinos esperados del sol

Parece establecido más allá de toda duda razonable, a través del éxito del modelo solar estándar, que el sol brilla mediante la fusión nuclear en su núcleo. Una reacción de fusión implica la unión de dos núcleos atómicos en uno. En el sol, una cadena de varias reacciones de fusión diferentes a lo largo de cualquiera de las cuatro rutas diferentes conduce desde cuatro núcleos de hidrógeno (protones individuales) hasta un núcleo de helio (dos protones y dos neutrones). En este proceso, dos protones deben convertirse en neutrones a través de desintegraciones beta. En cada desintegración beta, se emite un neutrino (un neutrino de sabor electrón, es decir). Por lo tanto, es sencillo calcular que, si el sol brilla mediante la fusión de hidrógeno, debería emitir dos neutrinos por cadena de fusión. Y en nuestra teoría estándar de física de partículas, los neutrinos saldrían directamente del sol, sin interactuar con el material intermedio. El flujo total de neutrinos del sol debería ser de aproximadamente 200 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 por segundo, correspondiente a un flujo de aproximadamente 6.5 × 10¹⁰ neutrinos por centímetro cuadrado por segundo que golpean la Tierra.

La mayoría de esos neutrinos provienen de la cadena principal de reacciones productoras de energía en el sol: la fusión protón-protón. Desafortunadamente, los neutrinos de la fusión protón-protón (pp) tienen una energía muy baja. La energía en este contexto se mide en electron-voltios (1 eV = 1.6 × 10^-19 Joule), o millones de electron-voltios (MeV), y la energía de los neutrinos pp es inferior a 0.42 MeV, lo que los hace difíciles de detectar.

Se espera que surjan cantidades menores (aunque aún enormes) de neutrinos de mayor energía de diversas reacciones secundarias, notablemente los decaimientos del boro y el berilio. También existe una cadena alternativa de producción de energía, la fusión CNO, donde la fusión de hidrógeno en helio es catalizada por el carbono. Se espera que esta cadena CNO sea la principal fuente de energía en estrellas más grandes y calientes, pero debería aportar solo una contribución modesta en el Sol. Los neutrinos de la cadena CNO son, en general, más fáciles de detectar que los neutrinos pp, ya que cada uno posee entre tres y cuatro veces más energía.

Los detalles de la red de reacciones de fusión solar pueden encontrarse en muchas obras, tanto en astrofísica como en física de neutrinos, como Karttunen et al (1994) o Bahcall (1989). Sin embargo, los libros de texto de astronomía menos avanzados, como Pasachoff (1995) o Zeilik (1994), a menudo omiten las reacciones secundarias que son altamente relevantes para los estudios de neutrinos solares. Un buen diagrama del flujo de neutrinos solares del modelo solar estándar, en función de la energía del neutrino, puede encontrarse en la página de inicio de John Bahcall, http://www.sns.ias.edu/~jnb/ , junto con toneladas de información, datos y software relacionados con los neutrinos solares. Si usted está en serio con los neutrinos solares, ¡su página es una mina de oro!

Experimentos de neutrinos solares

El problema con los experimentos de neutrinos solares es que los neutrinos son notoriamente difíciles de detectar y medir. (After all, they were invented for the purpose of sneaking away unnoticed... ) La única forma de detectarlos es a través de sus ocasionales interacciones con la materia mientras pasan a través de ella. Pero la probabilidad de tal interacción es extremadamente baja; la gran mayoría de los neutrinos pasará recto a través de la Tierra sin interactuar en absoluto. Los pocos que sí interactúan pueden hacerlo de un par de formas diferentes:

• Rebotando contra un electrón y luego continuando como antes. Todos los sabores de neutrinos pueden hacer esto. El electrón es expulsado de su órbita atómica y puede ser detectado. Esto es experimentalmente factible para neutrinos con energía cinética moderada a alta. "Moderada" es la energía de neutrinos aquí significa varios millones de electron-voltios (MeV).
• Rebotando contra un núcleo y luego continuando como antes. Es detectable solo si se transfiere suficiente energía para alterar el núcleo, cientos de MeV en la mayoría de los casos – y los neutrinos solares no tienen suficiente fuerza, así que olvídate.
• Interactuando con un electrón o un núcleo, y convirtiéndose en el leptón cargado correspondiente (electrón, muón o tau). El leptón cargado puede ser detectado fácilmente – pero el neutrino debe llevar suficiente energía para suministrar E=mc² para la creación de su sustituto cargado. Los neutrinos solares tienen suficiente energía para crear electrones, pero no suficiente para los otros dos.
• Haciendo una desintegración beta inversa en un núcleo. Los neutrinos son normalmente emitidos en desintegraciones beta. Pero algunos núcleos pueden, en efecto, revertir el proceso capturando un neutrino. Técnicamente, esto pertenece al punto anterior, pero es importante lo suficiente como para merecer su propio punto, porque en este caso no es necesario atrapar al neutrino en el acto – los núcleos "revertidos" se quedarán ahí, y pueden ser contados a su antojo, mediante separación química (será un elemento diferente al original), o a través de su radiactividad. Esto requiere una energía mínima que es diferente para diferentes núcleos; para algunos, notablemente cloro y galio, la energía está al alcance de los neutrinos solares. Solo los neutrinos electrónicos pueden hacer esto (ya que solo los neutrinos electrónicos son emitidos en desintegraciones beta).
• Un proceso relacionado es la "fusión inversa" que puede ocurrir cuando un neutrino golpea un núcleo de deuterio, dividiéndolo en dos protones.

El primer experimento de neutrinos solares (Davis 1964) se basó en la "desintegración beta inversa" de átomos de cloro. Consiste en un gran tanque colocado profundamente en una mina en Dakota del Sur, EE. UU. El tanque está lleno de unas 600 toneladas de líquido de limpieza, percloroetileno, que contiene más de 10³⁰ átomos de cloro. Cada pocos días, uno de estos átomos se convierte en argón mediante desintegración beta inversa. Según el modelo solar estándar, un átomo debería haberse convertido todos los días, pero la tasa realmente medida fue no más de la mitad de esto. En 2002, Davis recibió el Premio Nobel por su trabajo pionero en neutrinos solares.

El cloro es experimentalmente conveniente: es razonablemente barato (importante cuando se necesitan cientos de toneladas!), y el argón resultante es químicamente agradable, lo que hace factible encontrar las agujas en el heno y contar los átomos uno por uno. Desafortunadamente, el cloro tiene un umbral de energía demasiado alto para los neutrinos de la reacción principal protón-protón del sol. Solo detecta los neutrinos de mayor energía provenientes de los decaimientos del berilio y el boro, y de la cadena CNO. Ahora bien, el berilio y el boro se producen en reacciones secundarias menores en el sol que son altamente sensibles a la temperatura exacta en el núcleo solar; es posible ajustar el modelo solar estándar lo suficiente para reducir significativamente su tasa de producción (Bahcall 1989; Dar & Shaviv 1996), sin ninguna interrupción mayor de nuestra comprensión de cómo funciona el sol y cómo funcionan los neutrinos. No obstante, la discrepancia era inquietante.

El galio es mejor desde un punto de vista físico, ya que es sensible también a los neutrinos solares primarios de la fusión protón-protón. La tasa a la que estos se producen está fijada por la luminosidad del sol y no puede ser alterada por ningún ajuste menor del modelo. En el caso del galio, el modelo estándar predice unas 70 SNUs aproximadas de la fusión pp, y otras 60 o más del resto (principalmente berilio) (Bahcall 1997b). El galio, sin embargo, es un elemento raro y costoso; la cantidad necesaria para un experimento de neutrinos representa una fracción considerable de la producción anual mundial de dicho elemento. Por ello, los experimentos con galio no se construyeron hasta alrededor de 1990, cuando dos de ellos, llamados GALLEX y SAGE, comenzaron a tomar datos. Ambos experimentos llevan funcionando durante varios años y han producido esencialmente el mismo resultado: un flujo de unas 70 SNUs detectadas (Altmann 1998; Hampel et al 1999). Dentro de los márgenes de error, esto es igual al número esperado de la fusión protón-protón por sí sola, dejando sin lugar para neutrinos provenientes del berilio y otras fuentes. Además, ambos experimentos han sido calibrados con un flujo conocido de neutrinos de una fuente terrestre de neutrinos, lo que prácticamente descarta el error experimental como explicación para la discrepancia de los neutrinos solares.

En paralelo con los experimentos de galio, se estaba ejecutando un experimento de neutrinos completamente diferente: Kamiokande (recientemente ampliado y mejorado, y renombrado como Super-Kamiokande). Originalmente construido para buscar desintegraciones de protones (Kamiokande = Kamioka Nucleon Decay Experiment), se descubrió que era especialmente adecuado para la astronomía de neutrinos. Los neutrinos solares se detectan cuando rebotan contra electrones – o más bien, se detecta la lluvia de luz proveniente del electrón. Esto tiene la desventaja de que los neutrinos de baja energía no pueden ser detectados, por lo que Kamiokande es sensible solo a los neutrinos provenientes de desintegraciones de boro (y algunas cadenas secundarias aún más menores; véase, por ejemplo, Bahcall & Krastev 1998). Pero también hay ventajas considerables:

• La dirección desde la que provino el neutrino puede determinarse a partir de la trayectoria del electrón, proporcionando evidencia sólida de que los neutrinos provienen realmente del sol, presentado por primera vez por Hirata et al. (1990), y posteriormente corroborado con más datos (Fukuda et al 1996; Fukuda et al 1998c; Fukuda 1998).
• El momento de la llegada del neutrino puede determinarse con precisión, lo que permite buscar variaciones diurnas/nocturnas o estacionales (Fukuda 1998)
• La energía del electrón proporciona una estimación aproximada de la energía del neutrino (a diferencia de los experimentos de beta inverso, donde solo sabemos que los neutrinos superaron un cierto umbral de energía), lo que permite distinguir neutrinos procedentes de diferentes cadenas de reacción en el sol, y buscar otros efectos dependientes de la energía (Fukuda et al 1996; Fukuda 1998).

Estos cuatro experimentos de neutrinos solares (uno de cloro, dos de galio y Super-K) fueron hasta hace poco los únicos. Todos muestran un déficit significativo de neutrinos, midiendo un flujo del orden de un tercio a la mitad del esperado. Sus mediciones implicaron así que o bien el modelo solar estándar era incorrecto, o bien el modelo estándar de física de partículas (y por tanto el comportamiento de los neutrinos) era incorrecto. Los datos eran lo suficientemente sólidos para excluir los modelos estándar incluso si se asumía que uno de los experimentos era inútil; cualquier tres de ellos eran suficientes (Hata & Langacker 1997), (o cualquier dos, si los dos no eran ambos de galio).

• Dos importantes nuevos experimentos de neutrinos solares han informado de sus resultados durante los últimos dos años. GNO (Altmann et al., 2000) es un nuevo experimento de galio más grande, intencionado para añadir peso a los datos existentes. Pero el llamado SNO es novedoso y altamente significativo. Utiliza, entre otras cosas, la reacción de "fusión inversa" mencionada anteriormente. Esto le permite distinguir entre diferentes sabores de neutrinos y entre diferentes tipos de interacciones de neutrinos, algo que Super-K hace solo con dificultad, y los experimentos de beta inverso no lo hacen en absoluto. El valor de esto se discute en, por ejemplo, Fogli & Lisi & Montanino (1998) o Villante & Fiorentini & Lisi (1999). SNO comenzó a tomar datos en 1999 (Sincell 1999), y ahora ha informado de sus primeros resultados (Ahmad et al 2001a, 2001b, 2002a, 2002b). Por un lado, el número de neutrinos electrónicos sigue siendo demasiado bajo, igual que los otros experimentos ven. Pero lo nuevo es que los resultados de SNO muestran inequívocamente que el número total de neutrinos, sumando todos los sabores, coincide precisamente con las predicciones del modelo solar estándar. En otras palabras, los neutrinos parecen ser convertidos de un sabor a otro en ruta, y llegan como una mezcla de sabores. Este tipo de mezcla de sabores se explica en la sección Oscilaciones de neutrinos a continuación.

Soluciones de neutrinos solares

El problema de los neutrinos solares existió durante tres décadas, durante las cuales se propusieron numerosas soluciones posibles. El problema nunca fue considerado un misterio insoluble – era más bien una cuestión de decidir entre diferentes posibilidades. Pero con los nuevos datos disponibles durante el último año, tanto de los nuevos experimentos de neutrinos solares, como de la heliosismología, la mayoría de las soluciones propuestas pueden ser descartadas, y solo quedan unas pocas posibilidades, todas las cuales implican física de neutrinos modificada. La evidencia de un comportamiento no estándar de los neutrinos ya era fuerte hace unos años, y ahora es concluyente.

¿Solución solar o solución de neutrinos?

Las soluciones concebibles al problema de los neutrinos solares pueden dividirse en dos clases amplias: soluciones solares, basadas en modificaciones del modelo estándar del sol, y soluciones de neutrinos, basadas en modificaciones del modelo estándar de la física de partículas. El error experimental es, por supuesto, siempre una posibilidad, pero con varios experimentos diferentes, perfectamente calibrados y que funcionan sobre dos principios completamente distintos, todos dando resultados similares, esa posibilidad se ha vuelto remota.

La posibilidad de encontrar errores en el modelo solar estándar ha sido investigada a fondo (véase, por ejemplo, Bahcall & Basu & Pinsonneault (1998)), con la conclusión de que, considerando el excelente ajuste a todos los demás datos, incluyendo la heliosismología, tales errores son altamente improbables. Además, muchas personas diferentes han implementado su propia versión del modelo, con su propio código informático y pequeñas diferencias en los detalles de la física, sin diferencias significativas en el resultado (véase la compilación en fig 1 de Bahcall (1998)). Del mismo modo, idear un modelo alternativo que ajuste las mediciones de neutrinos y, simultáneamente, ajuste la heliosismología y otros datos, parece muy difícil. Los modelos de Dar & Shaviv (1996) y Cumming & Haxton (1996) se acercan más, pero persiste una discrepancia considerable en los neutrinos.

Un argumento aún más fuerte contra una solución solar es el análisis de Hata & Langacker (1997). Demuestran que incluso si se ignora por completo el modelo solar y se permite que los flujos relativos de neutrinos de diferentes fuentes varíen libremente, las discrepancias de los neutrinos no se eliminan. Ni siquiera ayuda asumir que el Sol no está completamente alimentado por fusión. Hata & Langacker concluyen que "...las soluciones [solares] en general tienen dificultades a menos que todos los experimentos estén equivocados..." (1997, p. 9). Otros autores han realizado cálculos similares, con conclusiones similares, por ejemplo, Fiorentini & Ricci (1998), Ricci & Villante & Lissia (1999), o Bahcall & Krastev & Smirnov (1998) y las referencias allí contenidas (pero véase también Dar & Shaviv (1999), quienes discrepan).

Una solución solar habiendo sido efectivamente excluida, a la satisfacción de la mayoría de las personas en el campo, nos queda con una búsqueda de una solución de neutrinos. En cuanto a soluciones en el ámbito de la física de neutrinos, hay tres posibilidades:

• Espectros de emisión de neutrinos no estándar u otras anomalías en la desintegración beta.
• Algo sucede con los neutrinos en su camino desde el núcleo del sol hasta aquí.
• Interacciones no estándar de neutrinos en nuestros detectores.

El viaje de los neutrinos a través de distancias astronómicas es obviamente inaccesible para estudios de laboratorio, y durante mucho tiempo se ha considerado el área más prometedora para buscar anomalías que puedan explicar los neutrinos solares faltantes. La conclusión de que la solución al problema de los neutrinos solares es más probable la desaparición de los neutrinos en ruta recibió apoyo adicional de los recientes informes de anomalías en el viaje de neutrinos a través de distancias terrestres (Fukuda et al 1998a; Athanassopoulos et al 1997; Oyama 2001; discutido más a continuación), y la cuestión finalmente se resolvió con SNO (Ahmad et al 2002a).

Oscilaciones de neutrinos

Que los neutrinos desaparezcan en el aire sería altamente problemático, violando entre otras cosas la conservación de la energía y el momento (la preservación de lo cual fue el principal motivo para inventar el neutrino en primer lugar). Convertir los neutrinos en algo más es una solución mucho más aceptable. Afortunadamente, hay abundante precedente para tales conversiones entre otras partículas elementales, y las especulaciones sobre la posibilidad de un comportamiento similar entre neutrinos preceden con mucho al problema de los neutrinos solares (Pontecorvo 1957). Este proceso de conversión se conoce como oscilaciones de neutrinos.

[Ahora, explicar cómo funcionan las oscilaciones de neutrinos es un poco complicado, ya que depende de sutiles efectos cuánticos, y no puedo asumir aquí que todos los lectores están familiarizados con la teoría cuántica. La explicación a continuación es, por necesidad, altamente simplificada; si algún purista se opone, está invitado a proponer una mejor.]

Un concepto indispensable, pero contraintuitivo, en la mecánica cuántica es el de superposición. Supongamos que una partícula determinada tiene una propiedad que puede tener varios valores diferentes; el ejemplo clásico es el del gato de Schrödinger (por ejemplo, http://www.upscale.utoronto.ca/PVB/Harrison/SchrodCat/SchrodCat.html), pero tomaré uno diferente: las cartas de juego ordinarias tienen la propiedad 'palos', con los cuatro valores posibles 'picas', 'corazones', 'diamantes' y 'tréboles'. En la vida ordinaria no cuántica, cada carta individual tiene un palos bien definido. No así en la mecánica cuántica. Una carta cuántica puede estar en un estado mixto, una llamada 'superposición' de, digamos, 30% de picas, 60% de corazones y 10% de tréboles. Cuando verificas a qué palo pertenece esa carta, tienes un 30% de probabilidad de encontrar que es una pica, un 60% de probabilidad de encontrar que es un corazón, y así sucesivamente. Ten en cuenta que esto es no solo un asunto de tu ignorancia del "verdadero" palo de la carta – no tiene un solo palo bien definido hasta que lo verificas (hay algunos hilos filosóficos sueltos aquí, pero no te preocupes por ellos por el momento).

En física de partículas, el equivalente de las palas son las tres familias, discutidas anteriormente en la sección '¿Qué son los neutrinos?'. Un neutrino puede pertenecer a cualquiera de las tres familias, convirtiéndose en un neutrino electrónico, o un neutrino muónico, o un neutrino tauónico. O, puede ser una superposición de los tres sabores familiares, mezclados en ciertas proporciones. Ahora, el modelo estándar asume que los neutrinos emitidos por el sol están en un estado puro de neutrino electrónico, sin mezcla. Si esta suposición es incorrecta, sin embargo, pueden ocurrir cosas interesantes en el camino.

Un caso similar, que ha sido extensamente estudiado en aceleradores de partículas, es el del mesón K neutro (un mesón es una combinación de dos quarks (o, para ser precisos, un quark y un anti-quark); en el caso del mesón K, es un quark 'down' (d) de la primera familia, y un quark 'strange' (s) de la segunda familia). El mesón K neutro (K0) nos lleva al siguiente concepto curioso que necesitamos, el de un estado propio. Para ponerlo simplemente, un estado propio es un estado que se reconoce como puro, no mezclado, sin superposición, en un cierto contexto. Por ejemplo, en el contexto del póker, las cuatro palas normales son estados propios de las cartas en ese juego; un trébol no mezclado se reconoce como un trébol, y nada más. Pero en un juego diferente, los estados propios pueden ser diferentes. Si juegas al whist, las palas reconocidas en ese juego como palas puras pueden (en un mundo cuántico) ser diferentes de las reconocidas como palas puras en el póker. Un trébol de whist puede ser una mezcla del 80% de trébol de póker y del 20% de corazones de póker, y lo mismo para las demás palas. Un trébol puro de póker sería considerado en el whist como una mezcla, con solo una probabilidad del 80% de ser reconocido como un trébol de whist. En los juegos de cartas, esto suena absurdo – pero en la física de partículas, esto es exactamente lo que ocurre. Diferentes 'juegos' – diferentes interacciones – reconocen e interactúan cada uno con un conjunto diferente de estados propios para las partículas.

Los 'juegos' relevantes jugados en el mundo subatómico son:

• Interacciones 'fuertes', solo entre quarks; la fuerza principal dentro de los núcleos.
• Interacciones electromagnéticas, entre todas las partículas cargadas.
• Interacciones 'débiles', en las que pueden estar involucradas todas las partículas; la fuerza detrás de los desintegraciones beta.
• Masa. Cómo las partículas se desplazan entre interacciones (así como muchas otras cosas) está determinado por sus autoestados de masa.

Para la mayoría de las partículas y la mayoría de las interacciones, esto no es un problema; los diferentes estados propios son idénticos, según podemos determinar. Pero las interacciones débiles no siempre se ajustan a esto. Los estados propios débiles de los quarks son diferentes de sus estados propios fuertes/electromagnéticos. Esto está bien establecido experimentalmente; véase, por ejemplo, Halzen & Martin (1984) o Parodi & Roudeau & Stocchi (1999). Los mesones K0 se producen en interacciones fuertes de quarks, pero decaen a través de interacciones débiles de sus quarks constituyentes. Hay más matices involucrados, pero para hacer una historia larga corta, el resultado final es que los estados propios de producción son diferentes de los estados propios de viaje/decaimiento de los K0. Los estados propios de viaje/decaimiento se llaman K0_long y K0_short, debido a sus vidas medias más largas y más cortas. Así, un K0 se produce como un estado propio puro de interacción fuerte, pero esto no es un estado propio de viaje/decaimiento. En cuanto se aleja del punto de producción, viaja como una mezcla de K0_long y K0_short, los estados propios de viaje.

Ahora, si K0_long y K0_short viajaran a exactamente la misma velocidad, permanecerían "en sincronía" entre sí, y la mezcla no sería perceptible. Sin embargo, su masa es ligeramente diferente, causando una diferencia en la velocidad, lo que hace que pierdan la sincronía a medida que viajan. Experimentalmente, esto es observable como un cambio en la proporción de mezcla dependiendo de la distancia recorrida, oscilando entre dos extremos. Se han realizado numerosos experimentos sobre K0-mesones, confirmando la existencia de estas oscilaciones. (Véase, por ejemplo, Perkins (1982) para más detalles). Oscilaciones similares fueron predichas teóricamente para B0-mesones (el equivalente de la tercera familia del mesón K0 de la segunda familia), y ahora han sido observadas experimentalmente (Schröder 1987; Abe et al 1999, y las referencias allí incluidas).

En cuanto a la interacción débil, se espera que los leptones se comporten de la misma manera que los quarks. Por lo tanto, sería natural esperar efectos de mezcla similares entre los leptones. Específicamente, los neutrinos ocupan el lugar correspondiente en las familias de leptones que los quarks constituyentes K0 y B0 ocupan en las familias de quarks, por lo que se esperaría principalmente mezcla entre neutrinos. Sin embargo, al igual que con los mesones K0, la mezcla sería indetectable si todos los neutrinos tuvieran la misma masa. Y según lo que podemos determinar mediante mediciones directas, los tres neutrinos sí tienen la misma masa, a saber, cero (Klapdor-Kleingrothaus & Staudt 1995; Ackerstaff et al 1998). Así que en el modelo estándar de física de partículas, se asumió simplemente que los neutrinos tenían masa cero, pero es una modificación directa del modelo insertar una masa adecuada.

Si los neutrinos tienen una masa diminuta y los diferentes neutrinos tienen masas diferentes, se comportarán de la misma manera que los mesones K0. Se producirán en un estado propio de interacción débil, pero viajarán en un estado propio de masa, que puede ser diferente del estado propio débil. (Los estados propios de interacción débil son los tres sabores de neutrinos discutidos anteriormente: neutrino electrónico, neutrino muónico, neutrino tauónico.) Cuando llegan e interactúan en nuestros detectores, no llegan como el estado propio débil original en el que fueron producidos, sino como una mezcla de dos o más sabores. Esto siempre fue una solución potencial al problema de los neutrinos solares, ya que los experimentos solares originales midieron una desaparición aparente de neutrinos electrónicos, sin medir los otros sabores. Si los neutrinos oscilan desde el 100% de neutrino electrónico en el que se producen en el sol, hasta una mezcla con alrededor del 40% de neutrino electrónico y el 60% de otros neutrinos, obtenemos un ajuste bastante bueno a los datos experimentales. Y ahora que SNO ha confirmado que el otro 60% existe efectivamente como otros sabores de neutrinos, el problema está efectivamente resuelto.

Recuerde también que esta re-mezcla es un proceso oscilatorio, que va y viene. A cierta distancia (y el doble, triple, cuatro veces esa distancia, etc.) del punto de producción, los neutrinos habrán completado un ciclo de oscilación completo y volverán al estado con el que empezaron. A la mitad de esa distancia (y 1.5, 2.5, etc., veces esa distancia), la mezcla será máxima. Esta escala de distancia de oscilación depende de la diferencia de masa entre los neutrinos y de la energía de los neutrinos. Una pequeña diferencia de masa y una alta energía significan una distancia de oscilación muy larga.

Con los neutrinos solares, la distancia es conocida, 150 millones de kilómetros, y la energía también lo es. Pero el hecho de que los neutrinos solares de diferentes cadenas de fusión tengan energías diferentes, puede hacer que lleguen a la Tierra en diferentes puntos de sus ciclos de oscilación. Esto podría explicar la discrepancia aparentemente mayor para los neutrinos provenientes de berilio en comparación con los de fusión de boro o protón-protón. Además, la distancia varía a lo largo de la órbita elíptica de la Tierra alrededor del Sol, causando un efecto estacional, que sería una firma de 'humo de la pólvora' para las oscilaciones de neutrinos. Hasta la fecha no se ha observado tal efecto, pero las estadísticas siguen siendo demasiado pobres para excluirlo.

Aparte de los efectos de oscilación debidos únicamente a la distancia de viaje, existe otro mecanismo de oscilación que puede ser relevante para los neutrinos solares (al igual que para los mesones K0). Los diferentes sabores de neutrinos tienen diferentes probabilidades de interacción en su camino fuera del sol. En el caso de un neutrino mixto, los diferentes componentes de la mezcla experimentarán interacciones distintas, eliminando diferentes fracciones de ellos de la mezcla. El resultado es una mezcla modificada, que luego viajará por el espacio hacia la Tierra, llegando posiblemente como un sabor diferente al que fue originalmente producido.

Esta conversión de neutrinos en la materia se llama efecto Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (MSW), nombrado por las personas que lo descubrieron (Wolfenstein 1978; Mikheyev & Smirnov 1985). Una descripción exhaustiva, aunque algo técnica, del efecto MSW (así como de las oscilaciones ordinarias (de vacío) de neutrinos) puede encontrarse en Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995). Una clara firma del efecto MSW sería una diferencia en el flujo medido de neutrinos entre día y noche, porque por la noche los neutrinos tienen que atravesar la tierra y sufrir una conversión adicional MSW.

Las oscilaciones de neutrinos son hoy la solución más prometedora entre las propuestas para resolver el problema de los neutrinos solares. Pero hasta hace poco, el Sol no había proporcionado ninguna evidencia directa de que las oscilaciones estuvieran realmente ocurriendo. La medición de neutrinos solares de otros sabores que los neutrinos electrónicos realizada por SNO es, sin embargo, una prueba concluyente. Los neutrinos mu- o tau provenientes del Sol deben ser neutrinos electrónicos convertidos por oscilación, ya que no se producen tales neutrinos en el Sol.

Experimentos con neutrinos no solares

Aparte de los experimentos de neutrinos solares, hay una gran cantidad de otros experimentos con neutrinos en curso, varios de los cuales buscan oscilaciones de neutrinos y fenómenos relacionados. Durante los últimos dos años, se han informado resultados positivos de algunos de ellos, lo que apoya el concepto de oscilaciones de neutrinos.

El resultado más sólido de oscilación de neutrinos no solares hasta la fecha proviene de Super-Kamiokande. Super-K es un experimento altamente versátil, capaz de detectar neutrinos de muchas fuentes diferentes además del sol. Una fuente prominente de neutrinos aquí en la Tierra son las interacciones de los rayos cósmicos con la atmósfera de la Tierra. Los rayos cósmicos relevantes consisten principalmente en protones de alta energía, que interactúan con núcleos en el aire, produciendo chorros de partículas subatómicas, algunas de las cuales sufren desintegración beta en su camino hacia el suelo. Estas desintegraciones beta generan un flujo de neutrinos de energía media a alta que impactan la superficie de la Tierra, atraviesan el planeta y salen por el otro lado. Si los neutrinos no oscilan, se esperaría que el mismo número de neutrinos subiera a través del suelo que el que bajó por el otro lado. Sin embargo, Super-K observa una diferencia significativa. Una fracción sustancial de los mu-neutrinos aparentemente desaparecen en su camino a través de la Tierra. Para las presentaciones propias del grupo de Super-K, véase (Fukuda et al 1998a, b, d; Learned et al 1998; Super-Kamiokande 1998); para perspectivas, véase (Normile 1998b; Wilczek 1998).

Resultados similares también han sido reportados desde el experimento MACRO en Italia (Ambrosio et al 1998; Spurio 1998), y desde Soudan2 e IMB (Gonzalez-Garcia et al 1998), aunque todos tienen estadísticas peores y peor sistemática que Super-K. Los resultados negativos anteriores de Frejus y NUSEX (Gonzalez-Garcia et al 1998) tienen incertidumbres estadísticas tan grandes que son compatibles dentro de los errores con los resultados de Super-K.

Las búsquedas de oscilación de neutrinos atmosféricos complementan a los neutrinos solares en que tienen neutrinos de mayor energía y una distancia de viaje más corta, investigando así un rango diferente de posibles diferencias de masa de neutrinos. Otro rango es explorado en experimentos de aceleradores, donde neutrinos de alta energía son creados en aceleradores de partículas y se les permite viajar cierta distancia. Muchos de estos experimentos han sido realizados, la mayoría con resultados negativos (véase, por ejemplo, Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995) y las referencias allí, o Altegoer et al (1998), CHORUS (1998), Armbruster et al (1998)). Sin embargo, hubo una afirmación el año pasado de que se habían observado oscilaciones de neutrinos, por el experimento LSND (Athanassopoulos et al 1997; Glanz 1996). El resultado de LSND no es universalmente aceptado, aunque indica una diferencia de masa de neutrino mucho mayor que la encontrada por Super-K o implícita por los neutrinos solares. Otro resultado positivo, más consistente con el resto que LSND, puede encontrarse en los informes preliminares del experimento K2K (Oyama 2001), en el cual un haz de neutrinos desde un acelerador se dirige a Super-K desde una distancia de unos cientos de km.

Los reactores nucleares son otra fuente de neutrinos, y varios experimentos han estado buscando oscilaciones de neutrinos cerca de reactores. El más reciente, CHOOZ (Apollonio et al 1997), excluye una gran fracción de las explicaciones posibles para los resultados de Super-K. Un experimento más grande, KAMLAND (Dazeley 2002), otro descendiente de Kamiokande, acaba de comenzar a tomar datos.

La física de neutrinos es en general un tema experimental "caliente" hoy en día, con mucho trabajo en curso, no solo sobre las oscilaciones de neutrinos, sino también sobre otros aspectos de la física de neutrinos, así como sobre la astronomía de neutrinos. Solo para mencionar algunos ejemplos: el Lago Baikal (Balkanov et al 1997), ANTARES (Moorhead 1998b), y por último pero no menos importante, mis propias modestas contribuciones en los grupos PAN (Johansson 1991) y AMANDA (Askebjer et al 1995; Halzen 1997). Las revisiones también pueden encontrarse en, por ejemplo, Petrera (1998) o Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995). Para una revisión de los problemas teóricos abiertos, véase Haxton (1998).

Soluciones propuestas

Los resultados de los neutrinos solares pueden explicarse ya sea a través de oscilaciones directas o mediante el efecto MSW. Las diferencias de masa y los parámetros de mezcla implicados por el déficit de neutrinos solares se discuten en diversos trabajos, por ejemplo, Bahcall (1997a). Con la nueva evidencia convincente de las oscilaciones de neutrinos presentada por Super-Kamiokande (Fukuda et al 1998a), un gran número de personas ha presentado una variedad de propuestas para modificar el modelo estándar de física de partículas, con el fin de incorporar las oscilaciones de neutrinos. Emergen tres categorías de soluciones propuestas:

• Manteniendo la mayor parte del modelo estándar, simplemente reemplazando las masas nulas de los neutrinos con algunos valores no nulos adecuados. Sin dolor y directo, pero no emocionante (a menos que haya algo extraño con la nueva masa del neutrino, como la propuesta de un neutrino taquiónico de Ehrlich (1999)). Ejemplos incluyen Jarlskog et al (1999), Fritzsch & Xing (1998), Barger & Weiler & Whisnant (1998), Jezabek & Sumino (1998), Chikira & Haba & Mimura (1998), Barbieri et al (1998), Esposito & Tancredi (1997), Akhmedov et al (1998), Thun & McKee (1998), Conforto et al (1998), Xing (1998) y también no menos que el tipo que ganó el Premio Nobel por inventar nuestra teoría estándar actual de interacciones de neutrinos, Sheldon Glashow (Georgi & Glashow 1998; Glashow & Kernan & Krauss 1998). Incluso así, es un poco complicado acomodar todos los resultados experimentales, tanto solares, atmosféricos, y experimentos de acelerador/reactor (Barger & Pakvasa & Weiler & Whisnant 1998a; Kang & Kang 1998; LoSecco 1998; Ahluwalia 1998).
• Añadir un cuarto neutrino (por ejemplo, Lipmanov (1998), Bilenky & Giunti & Grimus (1998) o Liu & Smirnov (1998)). También bastante directo, excepto que hay restricciones experimentales sólidas sobre el número de neutrinos, tanto de la física de partículas (por ejemplo, Aarnio et al (1989), y de la cosmología (Schramm & Turner 1998; pero véase también Pal (1998), Valle (1998) y Kirilova & Chizhov (1998)), restringiéndolo a tres. Un cuarto neutrino tiene que evadir esas restricciones, y por lo tanto debe ser fundamentalmente diferente de los otros tres, y aún más elusivo (Barger & Pakvasa & Weiler & Whisnant 1998b). Las soluciones de tres y cuatro neutrinos se comparan por Yasuda (1998) y Gonzalez-Garcia et al (1999).
• Reemplazar los cimientos del modelo estándar con algo más exótico, como la supersimetría (Chun et al 1998; King 1998; Brooijmans 1998) o alguna versión de gran unificación (Pati 1998; Nomura & Yanagida 1998; Bando & Yoshioka 1998), u otras novedades (Joshipura 1998; TBarenboim & Bernabeu & Jarlskog 1995; Elwood & Irges & Ramond 1998; Ahluwalia 1998).

Todas las soluciones propuestas afirman ser consistentes con los datos disponibles (o, en algunos casos, afirman que algunos de los datos, más a menudo LSND, deben ser descartados como insuficientemente establecidos), y muchas de ellas son bastante similares, al menos en lo que respecta a los aspectos accesibles experimentalmente. Se necesitan más experimentos para distinguir entre los modelos. Por ahora, sin embargo, la conclusión debe ser que no hay escasez de soluciones de neutrinos para el problema de los neutrinos solares.

Conclusiones sobre neutrinos

Con la llegada de los resultados de SNO, llegamos a un consenso sólido: las oscilaciones de neutrinos están ocurriendo. El problema de los neutrinos solares por sí solo era sugerente pero no evidencia concluyente; los resultados de los neutrinos atmosféricos sellaron el caso del comportamiento no estándar de los neutrinos, y SNO confirmó que esto resolvió el problema de los neutrinos solares. Esto también significa que podemos estar bastante seguros de que el modelo solar estándar es una aproximación cercana de lo que ocurre en el sol, ya que su predicción para el flujo total de neutrinos se confirma con buena precisión por el resultado de SNO. Los detalles de la nueva física de neutrinos aún no están completamente resueltos, y varios escenarios de oscilación diferentes siguen siendo viables, pero nuevos datos experimentales están en camino y se espera que resuelvan los problemas pendientes menores dentro de unos pocos años a partir de ahora.

Argumentos creacionistas solares

Gran parte de lo que se ha escrito sobre el sol en fuentes creacionistas se centra en su edad. Los 4.500 millones de años estándar son, por supuesto, anatemáticos para un creacionista de la Tierra joven. Por ello, se realizan diversos intentos para argumentar a favor de una edad más joven, reconociendo correctamente que un sol joven implica un origen reciente de la vida en la Tierra (pero pasando por alto el hecho de que también es cierto lo contrario; la evidencia de una larga historia de vida en la Tierra implica un sol antiguo).

Encogimiento

Existen dos líneas de argumento diferentes respecto a un sol en contracción. La primera se refiere directamente a la clásica teoría de Kelvin-Helmholtz sobre el brillo del sol mediante la contracción gravitacional. La segunda línea se basa en un supuesto cambio en el diámetro medido del sol.

La teoría de la contracción gravitacional fue una ciencia mainstream respetable en el siglo XIX. Como se describe en la sección histórica anterior, fue abandonada en la primera parte del siglo XX, por razones científicas válidas que no tenían nada que ver con el creacionismo. Algunos creacionistas, notoriamente Barnes (1974), parecen estar desconocedores de los desarrollos en la ciencia posteriores a 1895 aproximadamente, y continúan invocando los argumentos de Kelvin como si todavía fueran válidos. Pero incluso si no supiéramos nada sobre la fusión nuclear (o si la fusión por alguna razón no funcionara en el sol), la refutación de la teoría de la contracción gravitacional por parte de Eddington (1920; 1924) seguiría siendo sólida. Esto contradice directamente las afirmaciones de Akridge (1980), de que la teoría fue abandonada únicamente porque la evolución requería más tiempo: "Los científicos no siempre han atribuido la fuente de energía del sol a la fusión termonuclear. Antes del descubrimiento de la fusión termonuclear, Helmholtz predijo que la energía del sol era suministrada por el colapso gravitacional del sol. Este modelo fue aceptado hasta que la teoría de la evolución comenzó a dominar el escenario científico. Entonces la explicación de Helmholtz fue descartada porque no proporcionaba la vasta extensión de tiempo exigida por la teoría de la evolución orgánica en la Tierra. La teoría sustituta fue introducida por Bethe en la década de 1930 precisamente porque la fusión termonuclear era la única fuente de energía conocida que duraría más allá de los vastos tiempos requeridos por la evolución. La ciencia puede estar ahora en las puertas de desmentir el modelo evolutivo sustituto del sol." (ibid, p 3). La última frase de Akridge también es engañosa, en el sentido de que el modelo estándar del sol no es "evolutivo" en ningún sentido conectado con la evolución darwiniana a la que se refiere en otra parte de la cita (y por supuesto también es engañosa en el sentido de que la ciencia está lejos de desmentirlo).

Akridge (1980) es también la fuente principal para la otra línea de argumento, que afirma que se ha medido la contracción del sol. Basa esta afirmación enteramente en los resultados de Eddy & Boornazian (1979). Sorprendentemente, sin embargo, parece que ni siquiera ha leído su artículo – no se refiere directamente a él, sino solo a una popularización (Lubkin 1980, ver referencia en Akridge 1980). También es interesante notar que Akridge implica que E&B observaron 400 años de contracción, mientras que el título del artículo de E&B es 'Disminución secular del diámetro solar, 1863-1953', con solo un período de 90 años. A pesar de estos (y otros) defectos obvios, la afirmación de Akridge ha llegado a ser un tema estándar del creacionismo, repetida en numerosas publicaciones creacionistas, desde Brown (1995) hasta Molén (1991).

Strahler (1987) revisa los datos disponibles en el momento de la escritura de Akridge y los contrasta con la presentación de Akridge (1980). Observa que

1. Eddy y Boornazian (1979) ellos mismos no interpretan su resultado como evidencia de un cambio en curso. Su interpretación de sus propios datos es descartada de plano por Akridge (1980).
2. Otras mediciones, que no mostraban ninguna reducción significativa, estaban disponibles en 1980, pero fueron completamente ignoradas por Akridge (1980).
3. Mediciones posteriores, publicadas entre 1980 y 1987, no apoyan la afirmación de Akridge.

Una medición reciente del diámetro solar es la de Brown & Christensen-Dalsgaard (1998). A partir de datos tomados durante el período 1981-1988, reportan un radio de 695,508 ± 26 km, sin evidencia de cambio a lo largo del tiempo. La cuestión de la definición de la superficie se discute en detalle, llegando a la conclusión de que su definición es aproximadamente 500 km menor que la utilizada en la mayoría de las estimaciones anteriores. Incluso en un período tan corto de tiempo, su serie temporal es suficiente para excluir una contracción continua a la tasa de Akridge de cinco pies por hora, aunque con un nivel de confianza estadística modesto. Extraí los datos de la figura 2 en Brown & Christensen-Dalsgaard (1998) y realicé un ajuste de línea, encontrando que el mejor ajuste a los datos es un ligero, estadísticamente insignificante, crecimiento del diámetro del sol. No hay ningún apoyo para la contracción.

Para una base de tiempo ligeramente más larga, utilizaré el valor de Allen (1973), citado tanto por Brown & Christensen-Dalsgaard (1998) como por Castellani & Degl'Innocenti & Fiorentini (1998) como el valor de referencia estándar antes de la década de 1990. Trabajando a partir de Brown & Christensen-Dalsgaard (1998), he recalculado tanto su medición como la de Allen (1973) a lo que creo es la misma definición de superficie, obteniendo un valor para el diámetro angular del sol de 1919.31 ± 0.19 segundos de arco en 1973, y 1919.359 ± 0.018 segundos de arco en promedio entre 1981-1988. La supuesta contracción de Akridge corresponde a aproximadamente 0.25 segundos de arco durante el mismo período de tiempo, sin que se observe rastro alguno de ello. Parece que el sol ha dejado de contraerse.

Neutrinos y fusión solar

La fusión es la única fuente de energía conocida que puede mantener al sol funcionando durante miles de millones de años. La escasez de neutrinos provenientes del sol ha sido invocada por varios creacionistas como evidencia de que algo anda mal con el modelo solar estándar y como prueba de que el sol no puede tener miles de millones de años. Este argumento está estrechamente vinculado a la contracción discutida en la sección anterior; Davies (1996) concluye que, debido a la falta de neutrinos, el sol debe estar obteniendo aún la mayor parte de su energía de la contracción gravitacional, por lo tanto siendo joven. Sin embargo, Davies admite que ocurre cierta fusión, produciendo esos neutrinos que sí observamos. Walter Brown (1995) también invocó la escasez de neutrinos como evidencia en contra del modelo solar estándar (junto con una plétora de otras falacias astrofísicas), y también se repite (junto con un conjunto similar de falacias astrofísicas) en la Enciclopedia Creación-Evolución de Harvestime Books (http://www.pathlights.com/ce_encyclopedia/Index.htm). Akridge (1980) también atribuye la mayor parte de la energía solar a la contracción gravitacional, pero tiene el problema opuesto: su modelo de sol en contracción proporciona dos órdenes de magnitud demasiado de energía gravitacional. Sobre la fusión, dice solo que "no toda esta [la del sol] energía proviene de la fusión termonuclear." (ibid, pág. 3), dejando abierta la cuestión de qué hacer con el excedente y cómo ajustarlo con los resultados de los neutrinos solares.

Respecto a la falta de neutrinos solares como "prueba" de que no hay (o hay muy poca) fusión en el sol (por ejemplo, Snelling 1997, Oard 1995), creo que este argumento ha sido ampliamente refutado en las secciones anteriores de este faq. Hay evidencia sólida de que el aparente déficit de neutrinos solares se debe a las oscilaciones de neutrinos, y no a ninguna deficiencia del modelo de fusión solar. Esto ha recibido apoyo independiente tanto de resultados de oscilación de neutrinos solares como terrestres, y también hay varias líneas independientes de evidencia a favor del modelo solar estándar, con fusión. Un modelo del sol como una estrella joven, con una gran fracción de su energía proveniente de la contracción gravitacional, es inconsistente con su color y luminosidad actuales, y enormemente inconsistente con los resultados heliosismológicos. El hecho de que el sol no pueda estar aún en la fase de contracción se estableció ya en la década de 1920, mucho antes del descubrimiento de la fusión.

Sarfati (2000/2002) es otro creacionista que en la versión original de 2000 de su artículo invocó el problema de los neutrinos solares como evidencia en contra de la fusión en el sol. Sin embargo, en la versión en línea de su artículo en http://www.answersingenesis.org/docs/4180.asp hay una nota añadida en mayo de 2002, después de que salieran los resultados de SNO: "Esto es consistente con otras líneas de evidencia de que la fusión es la fuente principal de energía, por ejemplo, la temperatura del núcleo. Esto significa que los neutrinos deben tener, al final, una masa en reposo muy pequeña—los datos experimentales deben tener prioridad sobre las teorías de los físicos de partículas de que los neutrinos tienen masa en reposo cero. Por lo tanto, los creacionistas ya no deberían invocar el problema de los neutrinos faltantes para negar que la fusión es la fuente principal de energía para el sol." Esto es una honestidad encomiable -- pero luego arruina la buena impresión al insertar una cita totalmente obsoleta de segunda mano (de Eddy 1978) en la misma nota como si todavía tuviera alguna relevancia.

Como nota al margen, el creacionista Unruh (1995) parece aceptar el modelo solar estándar y reconoce explícitamente que la fusión es la principal fuente de energía. Sin embargo, comete otros errores astrofísicos, como afirmar que "Es un hecho conocido que la mayoría de las estrellas producen luz visible en pequeñas proporciones y son más intensas en su emisión de radiaciones letales como los rayos X y los rayos gamma." (ibid, p. 3). Todas las estrellas de la secuencia principal emiten una gran fracción de su radiación como luz visible. La prueba está disponible en cada noche estrellada: si las estrellas no brillaran con mucha luz visible, ¡no las veríamos en el cielo! También señala, correctamente, que la mayoría de las estrellas son más pequeñas que el Sol, pero luego afirma que el Sol es único, ignorando el hecho de que incluso la minoría de estrellas de tipo G (a las que pertenece el Sol) asciende a miles de millones de estrellas solo en la Vía Láctea.

Litio, berilio y heliosismología

Aparte del déficit de neutrinos solares discutido anteriormente, Davies (1996) presenta dos argumentos más a favor de un sol joven:

• "La oscilación fundamental del Sol coincide con la de una estrella joven." (ibid, p 1)
• "La abundancia de Litio y Berilio en el Sol es consistente con la de una estrella joven." (ibid, p 3)

Davies (1996) afirma que la evidencia apunta hacia un Sol homogéneo, con un núcleo completamente mezclado. La posibilidad de un núcleo mezclado fue efectivamente considerada y discutida a principios de los setenta, pero cuando las predicciones de los modelos de núcleo mezclado se comparan con las recientes mediciones heliosismológicas, se encuentra que todos los modelos con mezcla a gran escala pueden ser firmemente descartados (Degl'Innocenti & Ricci 1998; Richard & Vauclair 1997; Stix 1998). Esto está implícito también en las recientes mediciones de la edad del Sol (discutido anteriormente), que igualmente descartan la posibilidad de un Sol joven y homogéneo (Guenther & Demarque 1997; Brun & Turck-Chieze & Morel 1998).

No obstante, pequeñas cantidades de mezcla están indicadas por datos heliosismológicos (Brun & Turck-Chieze & Zahn 1998), no en el núcleo profundo, sino en la frontera entre las zonas radiativa y convectiva del sol. Esta mezcla superficial, sin embargo, no ayuda en nada al argumento de Davies (1996) sobre un sol joven. Por el contrario, sirve para debilitar su otro argumento, el que concierne al berilio y al litio en el sol.

El litio y el berilio son dos elementos ligeros, que se estima que formaron parte de la composición química original del sol en ciertas (bajas) concentraciones. Ambos elementos son fácilmente consumidos por la fusión, siendo el litio algo más susceptible que el berilio: se requiere una temperatura de alrededor de 2,5 millones de grados para "quemar" el litio, mientras que el berilio necesita 4 millones de grados (para compararlo con la temperatura actual del núcleo del sol, de unos 15 millones de grados).

Extrañamente, como Davies (1996) señala correctamente, el material superficial del sol aún conserva todo su berilio original (Balachandran & Bell 1998), mientras que el litio está severamente agotado. De esto se puede concluir que el material superficial ha estado expuesto a una temperatura de 2,5 millones de grados, pero no a 4 millones de grados. Davies procede entonces a afirmar esto como evidencia de que la temperatura del núcleo del sol aún no ha alcanzado los 4 millones de grados, implicando, por supuesto, que el sol todavía es joven y aún no ha iniciado su fusión correctamente.

Los cálculos cuidadosos de la cantidad de mezcla de material superficial y del núcleo en estrellas jóvenes resultan, sin embargo, en la predicción de que no debería perderse una cantidad significativa de litio ni berilio en estrellas del tamaño del Sol durante su fase temprana de contracción, en la que Davies desea situar al Sol. Esta predicción se confirma con las observaciones de estrellas recién nacidas, que aún retienen su litio original. El litio se pierde más tarde, durante la vida en la secuencia principal de las estrellas (Bahcall & Pinsonneault 1995).

Una pequeña cantidad de mezcla a lo largo de la frontera entre la zona convectiva superficial y la zona radiativa del núcleo, similar a la encontrada por Brun & Turck-Chieze & Zahn (1998), puede explicar este lento agotamiento del litio. Los cálculos de Blöcker et al (1998) proporcionan la cantidad exacta de mezcla necesaria para reproducir la abundancia superficial actual de litio (mientras se conserva el berilio), encontrando una solución consistente con el Sol de 4.500 millones de años de antigüedad. También existen otras soluciones propuestas para el déficit de litio; véase las referencias en Blöcker et al (1998).

En conclusión, uno de los argumentos de Davies es simplemente obsoleto, y el otro sirve para confirmar la antigüedad del sol, en lugar de probar su juventud.

Sol joven débil

El llamado "paradoja del sol joven débil" se refiere al hecho de que el sol, según el modelo solar estándar, aumenta lentamente su luminosidad, a medida que pasan los gigaaños. Durante la tenencia de la vida en la Tierra, cerca de 4 mil millones de años, la salida de energía del sol ha aumentado algo así como un 25% (Sagan & Chyba 1997). A pesar de este aumento en el calentamiento solar, el clima aquí ha sido lo suficientemente estable como para permitir que la vida continúe.

Faulkner (1998) invoca la paradoja del sol joven tenue como evidencia de que el sol es joven. Las explicaciones ortodoxas de la paradoja (a las que volveremos más abajo) son descartadas como demasiado improbables, a menos que haya una inteligencia guía detrás de ellas. Si la Tierra fue creada recientemente (presumiblemente con un sol artificialmente envejecido, para coincidir con su luminosidad actual, que efectivamente no es la de una estrella de 6000 años de antigüedad), la paradoja se resuelve trivialmente, ya que no ha habido tiempo para que ocurra algún cambio apreciable en la luminosidad.

Sin embargo, el argumento de Faulkner es menos convincente de lo que podría parecer, por varias razones. La conexión entre la salida solar y el clima terrestre está lejos de ser directa. También hay detalles menores engañosos en su razonamiento, como citar un cambio del 40% en la luminosidad desde hace 4.6 mil millones de años, en lugar del cambio del 25% más interesante desde que comenzó la vida un poco más tarde. El clima antes de que comenzara la vida es bastante irrelevante, al igual que cualquier cambio de luminosidad antes de ese momento. Seleccionar el punto de partida adecuado te permite elegir cualquier cambio que desees — la luminosidad del sol era un 100% menor hace 6 mil millones de años, cuando no brillaba en absoluto...

También debe notarse que un cambio del 25% (o 40%) en la salida solar no se traduce en un cambio correspondiente en la temperatura de la Tierra. Para empezar, la temperatura está determinada por el equilibrio entre el flujo de entrada y salida de calor. El flujo de entrada es directamente proporcional a la luminosidad solar, pero el flujo de salida es, en primera aproximación, proporcional a la cuarta potencia de la temperatura de la Tierra ( Ley de Stefan-Boltzmann; consulte cualquier libro de texto de física). En ausencia de cualquier efecto de retroalimentación, un cambio del 25% en la luminosidad solar se traduce en un cambio del 7% en la temperatura superficial aquí, lo cual no necesariamente es letal; es del mismo orden de magnitud que la diferencia entre los climas tropicales y árticos de hoy, que es sobrevivible.

Sin embargo, hay abundante retroalimentación en el sistema climático de la Tierra, tanto positiva como negativa. Faulkner señala, con toda razón, que la retroalimentación positiva descontrolada será fatal, como ocurrió tanto en Marte como en Venus (en direcciones opuestas). También afirma que cualquier retroalimentación negativa debe estar cuidadosamente "ajustada" para manejar el gran cambio en la insolación, y declara que tal ajuste fino en un marco naturalista es menos plausible que la creación divina reciente.

El sistema de retroalimentación de la Tierra es altamente complejo, pero se pueden discernir dos factores principales:

• Albedo, que es una medida de la cantidad de luz que se refleja desde la Tierra sin calentarla. Un albedo más alto significa un clima más frío, todo lo demás siendo igual. Están presentes tanto los efectos de retroalimentación positiva (el calentamiento disminuye la cubierta de nieve de alto albedo en latitudes altas) como los de retroalimentación negativa (el calentamiento puede aumentar la evaporación y, por lo tanto, la cubierta de nubes de alto albedo); no es obvio cuál predominaría en la práctica.
• Efecto invernadero, que es causado por ciertos gases en la atmósfera que dejan pasar la luz solar pero bloquean el calor de la Tierra para que escape al espacio. La Tierra está actualmente unos 30 grados más caliente de lo que estaría sin ningún efecto invernadero, debido al vapor de agua y al dióxido de carbono en la atmósfera (la bien publicitada amenaza del calentamiento global se debe a nuestra liberación de una gran cantidad de dióxido de carbono adicional al quemar combustibles fósiles, aumentando así el efecto invernadero). Otros gases de efecto invernadero que pudieron ser importantes hace cuatro mil millones de años incluyen el metano y el amoníaco. Los efectos de retroalimentación del efecto invernadero son aún más complejos que para el albedo, especialmente con la vida presente.

Hay dos puntos principales que cubrir, para evaluar cuán seriamente tomar los argumentos de Faulkner (1998):

• ¿Qué tan fina tuvo que ser la sintonización fina? Sabemos que la vida pudo formarse y sobrevivir (ya que aún está aquí), pero ¿necesitó prosperar todo el tiempo? ¿Cuáles son los extremos climáticos que la Tierra podría soportar sin quedar totalmente esterilizada?
• ¿Qué tan plausibles son los mecanismos de retroalimentación que deben invocarse para explicar el registro climático?

Aunque es concebible que la vida se haya formado bajo una gruesa capa de hielo, el registro fósil indica la presencia de una superficie libre de hielo dentro de unos cientos de millones de años desde el principio. Los estromatolitos (comunes fósiles tempranos) son formaciones de aguas someras, y la fotosíntesis parece haber sido también un desarrollo temprano (Cowen 1995). También existe evidencia isotópica de un clima cálido en los primeros tiempos (Weisstein 1996). Por lo tanto, aun así necesitamos un clima decente en un momento en que el sol era un 20% más tenue que hoy. La forma más razonable de lograr esto es invocar un efecto invernadero más intenso.

Existe un cuerpo considerable de pruebas que indican que la atmósfera de la Tierra primitiva era muy diferente de la mezcla de nitrógeno y oxígeno que respiramos hoy. El oxígeno es casi exclusivamente el producto de organismos fotosintéticos, los cuales no existían al principio. También hay pruebas procedentes de minerales antiguos de que la atmósfera estaba libre de oxígeno en el momento en que se formaron, y pruebas procedentes de minerales posteriores (notablemente las llamadas "formaciones de hierro en bandas") de una transición hacia una atmósfera rica en oxígeno después de quizás dos mil millones de años (Cowen 1995; Kerr 1999).

En la actualidad, grandes cantidades de carbono han sido almacenadas por organismos, tanto en la biomasa viva como en los sedimentos carbonatados; es muy probable que gran parte de este carbono estuviera originalmente en forma de dióxido de carbono (Sagan & Chyba 1997). Los actuales reservorios de carbono, si se convirtieran totalmente en dióxido de carbono, darían lugar a una atmósfera similar a la de Venus, con un efecto invernadero más que suficiente para compensar un sol más débil. No está claro exactamente cuánto del carbono estaba realmente en la atmósfera (Kasting 1993; Sagan & Chyba 1997), pero incluso si solo fuera una pequeña fracción de lo disponible, se produciría un significativo efecto invernadero. Se han realizado algunas mediciones del dióxido de carbono antiguo (Mora & Driese & Colarusso 1996), pero no en los períodos de tiempo relevantes.

Además, existen otros gases que podrían ser grandes contribuyentes al efecto invernadero en la Tierra primitiva, notablemente el metano y el amoníaco (Kerr 1999). Sagan & Chyba (1997) proponen un modelo dominado por el amoníaco, en el que se genera suficiente calentamiento por efecto invernadero para alcanzar temperaturas por encima de cero a pesar de un sol débil.

El dióxido de carbono, el metano y el amoníaco son todos gases comunes en las atmósferas de otros planetas, y son componentes razonables (casi inevitables) de la atmósfera original de la Tierra, dado nuestro conocimiento actual sobre la formación planetaria. Por lo tanto, es altamente plausible que un efecto invernadero sustancial compensara al menos parcialmente al Sol débil de la juventud.

Las condiciones en la Tierra muy temprana que permiten la aparición y evolución temprana de la vida parecen ser alcanzables sin invocar demasiadas improbabilidades. Sin embargo, a medida que el sol se volvió más caliente, tenemos un problema; si la atmósfera de efecto invernadero se mantiene demasiado tiempo, a medida que el sol se ilumina, un efecto invernadero desbocado puede resultar de un retroalimentación positiva, creando una situación similar a la de Venus y haciendo que la Tierra sea inhabitable. Se requiere un retroalimentación negativa compensatoria.

Algunos retroalimentaciones geoquímicas pueden ser posibles, pero parece improbable que sean suficientes (Lenton 1998). Los organismos vivos también comenzaron a convertir dióxido de carbono en oxígeno y materia orgánica, disminuyendo sustancialmente el efecto invernadero apenas comenzó la fotosíntesis. Sin embargo, no hay una razón obvia para que este proceso mantenga exactamente el ritmo con el aumento de la luminosidad del sol. Puede que simplemente hayamos tenido suerte, pero como explicación no es del todo satisfactoria. Si el ajuste realmente necesitaba ser muy preciso, Faulkner (1998) tendría razón al llamarlo "milagroso".

Parece, sin embargo, que la Tierra puede tolerar fluctuaciones climáticas sustanciales, aliviando la necesidad de un ajuste fino de alta precisión y afortunado/miraculoso. Hay evidencia de extensas glaciaciones en la época Precámbrica (Kaufman & Knoll & Narbonne 1997; Jenkins & Frakes 1998), intercaladas con períodos mucho más cálidos. Al menos una de las glaciaciones probablemente cubrió todo el planeta, resultando en una Tierra congelada profunda "bola de nieve" (Hoffman & Kaufman & Halverson 1998; Kerr 1998; Hoffman et al 1998). La vida bajo varios kilómetros de hielo puede sobrevivir durante un período razonable de tiempo, utilizando, por ejemplo, energía geoquímica (Gaidos & Nealson & Kirschvink 1999), aunque se pueden esperar extinciones masivas de formas de vida menos resistentes. El registro fósil Precámbrico es tan fragmentado que una (o incluso más de una) extinción masiva de la magnitud esperada de tal congelación profunda probablemente pasó desapercibida, incluso si solo sobrevivieron unos pocos organismos y luego se rediversificaron.

Si la vida podría sobrevivir a un clima tan inestable, el argumento de la implausibilidad de Faulkner (1998) se ve severamente debilitado.

Una solución diferente al problema del sol joven débil es ofrecida por los adherentes de la hipótesis de Gaia (Lenton 1998, y referencias allí contenidas). La idea básica es que el clima se mantiene estable mediante retroalimentación biológica activa; ya sea a través de alguna conciencia planetaria gaiana mística, o mediante medios más naturalistas, como argumenta Lenton (1998; pero véase también Robertson & Robinson (1998)). Sería instructivo para los creacionistas estudiar publicaciones gaianas, porque aquí tenemos otra hipótesis no ortodoxa con aspiraciones científicas y afiliaciones religiosas. No obstante, a diferencia de los creacionistas, los gaianos logran publicar en revistas revisadas por pares altamente respetadas (Lenton (1998) está en Nature), que no tocarían un papel como el de Faulkner con una vara de diez pies. La diferencia apenas puede explicarse por un sesgo antirreligioso, ya que hay tanta religión en la hipótesis de Gaia, ni por un sesgo anticientífico específico -- estoy dispuesto a apostar que hay más cristianos que gaianos religiosos entre los editores de Nature. Para cualquiera que esté realmente familiarizado con cómo funciona la ciencia, una comparación de Lenton (1998) y Faulkner (1998) hace que la respuesta sea obvia: Lenton es un científico competente, que conoce las reglas, y que es capaz de separar su ciencia de su religión. Evita errores elementales, y evita caer en retórica estridente. Los creacionistas no hacen ninguna de estas cosas, (aunque el papel de Faulkner está muy por encima del promedio de calidad entre las escrituras creacionistas). Si los creacionistas pudieran escribir como Lenton, ellos, también, podrían publicar en revistas reales y ganar algún respeto científico.

Sol cristalino

Entre las afirmaciones más extrañas sobre la naturaleza del sol está la de Leontiev (1998). Según él, el sol es un cristal gigante, sin ninguna fusión fea tipo Chernóbil ocurriendo; la energía se suministra en cambio a través de algún tipo de magia eterna, limpia, no nuclear, no especificada.

La mayor parte del sol, según Leontiev, consiste en materia cristalina, de una naturaleza distinta a la de la materia normal. Una capa delgada de materia normal cubre la superficie, produciendo las líneas espectrales observadas y engañando a los espectroscopistas para que crean que todo el sol está compuesto de átomos. Las manchas solares se supone que son huecos en la capa superficial, donde el cristal es directamente visible; es lamentable para la teoría de Leontiev que las líneas espectrales de átomos normales (incluyendo fenómenos puramente atómicos como el efecto Zeeman) puedan observarse también dentro de las manchas solares (Karttunen et al 1994).

Ahora, si el sol fuera un enorme cristal, debería rotar como un cuerpo sólido. No lo hace. Las regiones ecuatoriales del sol rotan mucho más rápidamente que en latitudes más altas (Pasachoff 1995). Los estudios heliosismológicos han confirmado que la rotación diferencial continúa mucho más profundo que la base de las manchas solares (Thompson et al 1996). La heliosismología también ha confirmado, más allá de toda duda razonable, que el interior del sol es fluido en toda su extensión; un interior cristalino sería obvio en sus datos. No es que necesitara confirmación; la idea de que el sol es sólido fue abandonada poco después del descubrimiento de las manchas solares, de la cual siguió la observación de la rotación diferencial.

En conclusión, el sol cristalino es una idea absurda sin la falsa apariencia de verosimilitud que caracteriza a la creación estándar.

Referencias

NOTA: Para su comodidad, muchas de las referencias apuntan a sitios web, a veces además de la referencia formal a la publicación en revistas revisadas por pares. El repositorio de preimpresos de Los Alamos ( http://xxx.lanl.gov ) es ampliamente utilizado, ya que una gran fracción de todos los artículos relevantes de física y astronomía aparecen allí, antes de ser publicados formalmente. Es un excelente sitio para cualquiera que desea mantenerse al día con los nuevos desarrollos en el campo.

Puede ser menos conveniente las frecuentes referencias a artículos de investigación reales, que pueden ser una lectura no trivial para el profano. Especialmente los artículos teóricos con nuevas hipótesis de oscilación de neutrinos son a menudo bastante opacos para cualquiera que no sea un físico teórico.

Para citas de documentos disponibles en Internet (notablemente las publicaciones del ICR), proporciono los números de página de las impresiones de Netscape.

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