FÍSICA

Ajustando un reloj de un millón de años

Nuevas mediciones sobre la semidesintegración del hierro-60 permiten conocer mejor en la historia de nuestro universo. Así se mide la edad de las cosas cuando tienen más de un millón de años.

Los restos de la supernova SN1994D
Los restos de la supernova SN1994D Wikimedia Commons

Es muy probable que hayas leído en alguna ocasión que el planeta Tierra tiene del orden de 4550 millones de años de antigüedad, que el rover Curiosity en Marte es capaz de calcular la edad de una roca (cosa que hizo en 2013) o que la Sábana Santa que se conserva en Turín data del siglo XIII. Para poder hacer estas afirmaciones se necesita un reloj, que no tiene que ser parecido al que tienes en el móvil o en la muñeca: basta con que sea algo que cambie con regularidad y cuyo periodo de cambio sea adecuado a lo que se quiere medir. Así, por ejemplo, puedo decir que tal persona tiene treinta primaveras o que el embarazo dura nueve lunas. 

La datación con carbono solo es válida para unos 50.000 años de antigüedad. 

La datación de objetos del pasado, sean planetas, rocas o artefactos humanos, se basa en una idea que tuvo Ernest Rutherford en 1903. Sugirió que la ratio de la abundancia de los elementos radioactivos con respecto a los productos de su desintegración proporcionaría un método para medir las edades de las rocas. Robert John Strutt y su estudiante Arthur Holmes desarrollaron la idea de Rutherford y para 1911 Holmes ya había usado el ratio uranio/plomo para estimar las edades de distintas rocas del Precámbrico. 

Para cada periodo de tiempo se necesita, sin embargo, un reloj radiométrico adecuado. Así, por ejemplo, la datación usando carbono solo es válida para unos 50.000 años de antigüedad; la datación por uranio-plomo sirve para datar la propia Tierra. Obviamente el uso de un reloj u otro depende de que esté presente en el objeto que se quiera datar y en que su periodo de semidesintegración radioactiva (el tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los núcleos de una muestra inicial de una variedad de elemento radiactivo, un radioisótopo) sea adecuado a la escala de tiempo de lo que se quiere medir. 

Imaginemos ahora que queremos datar algo, como una supernova,  que ocurrió hace del orden de un millón de años en algún lugar del espacio, ¿qué reloj podríamos emplear? 

El hiero-60 sirve para conocer la historia de las supernovas en las cercanías de nuestro Sistema Solar.

El hierro-60 radioactivo se produce en el núcleo de grandes estrellas y en las explosiones de supernovas, y tiene un periodo de semidesintegración del orden del millón de años, por lo que su abundancia puede usarse para datar un fenómeno astrofísico en el que esté (o haya estado) presente en esa escala temporal. El hierro-60 ya se ha usado como reloj en la Tierra para, por ejemplo, conocer a partir de la pequeña cantidad depositada en la corteza oceánica la historia de las supernovas en las cercanías de nuestro Sistema Solar, lo que podría haber afectado al clima, por cierto.

El problema con el hierro-60 es que existían dos determinaciones “buenas” de su periodo de semidesintegración, una hecha en 1984 y la otra en 2009, y que discrepaban muchísimo (un factor de casi 2). Ahora se ha realizado una nueva medición que zanja la cuestión, lo que permite el uso del hierro-60 como reloj fiable para la datación, entre otras cosas, de la nucleosíntesis (formación de elementos químicos) en las estrellas.

Pero, ¿cómo se calibra un reloj con un periodo de un más de un millón de años?

Para derivar el periodo de semidesintegración de un isótopo se emplean muestras que contienen un número conocido de núcleos y se detectan cuántos se desintegran por segundo; de esta forma se puede calcular cuánto tiempo es necesario para que se desintegren la mitad, aunque para que esto ocurra en realidad se necesite un millón de años. En el caso del hierro-60 la desintegración se monitoriza detectando los rayos gamma que emite su núcleo resultante, el cobalto-60

De hecho, la principal incertidumbre que existía en los experimentos anteriores era precisamente conocer el número de núcleos de hierro-60 presentes al comienzo. Ahora,  Anton Wallner y sus colegas de la Universidad Nacional Australiana han trabajado con hierro extraído de una muestra de cobre irradiada y usado espectrometría de masas con aceleradores para determinar la pequeña concentración de isótopos de hierro-60. Comparando este número con la concentración de hierro-55, otro isótopo poco abundante, los investigadores han sido capaces de cancelar el error sistemático que contaminaba los primeros experimentos  y medir con precisión la cantidad de hierro-60. El periodo de semidesintegración calculado de esta manera coincide bastante bien con el resultado de 2009, con lo que el valor queda fijado en 2,60 millones de años con solo un 2% de incertidumbre

Este dato proporciona a los investigadores más que un reloj, un cronómetro, muy versátil con el que conocer mejor en la historia de nuestro universo. 

Referencia: A. Wallner, M. Bichler, K. Buczak, R. Dressler, L. K. Fifield, D. Schumann, J. H. Sterba, S. G. Tims, G. Wallner, and W. Kutschera (2015) Settling the Half-Life of Fe-60: Fundamental for a Versatile Astrophysical Chronometer DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.041101 

* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.


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