¿De dónde viene el oro?
Nuevos conocimientos sobre la síntesis de elementos en el universo
¿Cómo se producen los elementos químicos en nuestro Universo? ¿De dónde proceden elementos pesados como el oro y el uranio? Mediante simulaciones por ordenador, un equipo de investigación del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung de Darmstadt, junto con colegas de Bélgica y Japón, muestra que la síntesis de elementos pesados es típica de ciertos agujeros negros con acumulaciones de materia en órbita, los llamados discos de acreción.
Impresión artística de un disco de acreción caliente y denso alrededor de un agujero negro, que puede ser un rico lugar de producción de elementos pesados.
National Radio Astronomy Observatory, USA
La abundancia prevista de los elementos formados permite saber qué elementos pesados deben estudiarse en futuros laboratorios -como la Instalación de Investigación de Antiprotones e Iones (FAIR), actualmente en construcción- para desentrañar el origen de los elementos pesados. Los resultados se publican en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Todos los elementos pesados que existen actualmente en la Tierra se formaron en condiciones extremas en entornos astrofísicos: en el interior de las estrellas, en explosiones estelares y durante la colisión de estrellas de neutrones. Los investigadores están intrigados con la cuestión de en cuál de estos eventos astrofísicos se dieron las condiciones adecuadas para la formación de los elementos más pesados, como el oro o el uranio. La espectacular primera observación de ondas gravitacionales y radiación electromagnética originada por la fusión de una estrella de neutrones en 2017 sugirió que muchos elementos pesados pueden producirse y liberarse en estas colisiones cósmicas. Sin embargo, sigue abierta la cuestión de cuándo y por qué se expulsa el material y si puede haber otros escenarios en los que se puedan producir elementos pesados.
Los candidatos más prometedores para la producción de elementos pesados son los agujeros negros orbitados por un disco de acreción de materia densa y caliente. Un sistema de este tipo se forma tanto tras la fusión de dos estrellas de neutrones masivas como durante el llamado colapsar, el colapso y posterior explosión de una estrella en rotación. La composición interna de estos discos de acreción no se conoce bien hasta ahora, sobre todo en lo que respecta a las condiciones en las que se forma un exceso de neutrones. Un elevado número de neutrones es un requisito básico para la síntesis de elementos pesados, ya que permite el proceso de captura rápida de neutrones o proceso r. Los neutrinos casi sin masa desempeñan un papel clave en este proceso, ya que permiten la conversión entre protones y neutrones.
"En nuestro estudio, investigamos sistemáticamente por primera vez las tasas de conversión de neutrones y protones para un gran número de configuraciones de discos mediante elaboradas simulaciones por ordenador, y descubrimos que los discos son muy ricos en neutrones siempre que se cumplan ciertas condiciones", explica el Dr. Oliver Just, del grupo de Astrofísica Relativista de la división de investigación Teoría del GSI. "El factor decisivo es la masa total del disco. Cuanto más masivo sea el disco, más a menudo se forman neutrones a partir de protones mediante la captura de electrones bajo la emisión de neutrinos, y están disponibles para la síntesis de elementos pesados mediante el proceso r. Sin embargo, si la masa del disco es muy elevada, la reacción inversa juega un papel más importante, de modo que los neutrinos son recapturados en mayor medida por los neutrinos antes de salir del disco. Estos neutrinos se vuelven a convertir en protones, lo que dificulta el proceso r". Como muestra el estudio, la masa óptima del disco para una producción prolífica de elementos pesados es de entre 0,01 y 0,1 masas solares. El resultado proporciona una fuerte evidencia de que las fusiones de estrellas de neutrones que producen discos de acreción con estas masas exactas podrían ser el punto de origen de una gran fracción de los elementos pesados. Sin embargo, actualmente no está claro si estos discos de acreción se producen en los sistemas de colapso y con qué frecuencia.
Además de los posibles procesos de eyección de masa, el grupo de investigación dirigido por el Dr. Andreas Bauswein también está investigando las señales luminosas generadas por la materia eyectada, que se utilizarán para inferir la masa y la composición de la materia eyectada en futuras observaciones de estrellas de neutrones en colisión. Un elemento importante para leer correctamente estas señales luminosas es el conocimiento preciso de las masas y otras propiedades de los elementos recién formados. "Actualmente, estos datos son insuficientes. Pero con la próxima generación de aceleradores, como FAIR, será posible medirlos con una precisión sin precedentes en el futuro. La interacción bien coordinada de modelos teóricos, experimentos y observaciones astronómicas nos permitirá a los investigadores en los próximos años probar las fusiones de estrellas de neutrones como el origen de los elementos del proceso r", predice Bauswein.
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