¿Cuál es el origen de elementos pesados como el oro, o el uranio? Los elementos pesados que podemos encontrar en la Tierra se formaron en condiciones extremas. Desde el interior de las estrellas a explosiones de dimensiones colosales, como la colisión de una estrella de neutrones. Un grupo de investigadores ha profundizado en ello…
El origen del oro y de otros elementos pesados
A través de simulaciones por ordenador, un equipo de investigadores del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI Centro Helmholtz para la investigación de iones pesados) en Darmstadt, en Alemania, junto a investigadores de Bélgica y Japón, se han adentrado en este campo. Buscan entender cuál es el origen de algunos elementos. En sus simulaciones, han observado que la formación de elementos pesados es común en algunos agujeros negros. En concreto, aquellos que tienen a su alrededor una acumulación de material.
O, dicho de otra manera, que tienen un disco de acreción. Esa simulación proporciona una estimación de cuál sería la abundancia de elementos pesados. Algo que, a su vez, permite profundizar en qué elementos pesados deberían ser estudiados para entender su origen. Algo que se podrá llevar a cabo en laboratorios futuros, como FAIR (abreviatura de Facility for Antiproton and Ion Research, Instalación para la investigación del antiprotón y el ion), que está en construcción en estos momentos. Todo esto nos lleva, directamente a nuestro planeta.
A fin de cuentas, todos los elementos pesados, en la Tierra, se formaron en condiciones extremas. Fueron fruto de entornos astrofísicos muy complejos. Se formaron en el interior de estrellas, como el Sol, por ejemplo, en la colisión de estrellas de neutrones. Los investigadores buscan comprender cuál de esos entornos ofrece las condiciones apropiadas para que se produzcan elementos pesados. Es decir, se busca definir mejor cuál es el origen de elementos como el oro o el uranio. En los últimos años ya se ha visto alguna que otra pista…
Una colisión de estrellas de neutrones que dio algunas señales
La detección de ondas gravitacionales, de una colisión de estrellas de neutrones que tuvo lugar en 2017, sugería que muchos elementos pesados se producen en este tipo de colisiones cósmicas. Sin embargo, una pregunta que queda sin respuesta es cuándo, y por qué, el material es expulsado. Así como si pudiera haber otros escenarios donde se puedan formar estos elementos. Entre los escenarios más prometedores se encuentran los agujeros negros, siempre que tengan un disco de acreción, formado por material denso y a altas temperaturas.
Un sistema así se forma tras la colisión de dos estrellas de neutrones, así como los llamados collapsar, el colapso y explosión de una estrella en rotación. La composición interna de un disco de acreción, por ahora, no está completamente comprendida. Especialmente en lo que tiene que ver con las condiciones bajo las que se produce un exceso de neutrones. Es necesario, a fin de cuentas, una gran cantidad de neutrones para poder formar los elementos pesados. Es algo que permite que se lleve a cabo el proceso de captura rápida de neutrones.
También denominado proceso-r, es muy importante. Los neutrinos, que apenas tienen masa, son una pieza clave en este rompecabezas, porque permiten la conversión entre protones y neutrones. Así, los investigadores explican que han estudiado el ritmo de conversión de neutrones y protones, en discos de acreción con diferentes características. Según cuentan, el factor más importante es la masa total del disco. Cuanto más masivo sea, mayor cantidad de neutrones podremos encontrar por la captura de electrones bajo la emisión de neutrinos…
Mucho material para formar elementos como el oro y el uranio… y ser un posible origen
Todos esos neutrones están disponibles para la síntesis de elementos pesados a través del proceso-r. Por otro lado, si la masa del disco es muy alta, el efecto es contrario. La reacción inversa se vuelve protagonista, de forma que más neutrinos son repescados por los neutrones antes de ser expulsados del disco. Esos neutrones, posteriormente, se convierten en protones, ralentizando así el proceso-r. Por tanto, hay una cifra que parece ser la ideal. Los investigadores explican que, para producir una gran cantidad de elementos pesados, el disco debe tener entre 0,1 y 0,01 masas solares.
Es decir, entre el 10 y el 1% de la masa del Sol. El resultado es un indicio muy fuerte en favor de las colisiones de estrellas de neutrones. Si se forma un disco de acreción, con la masa especificada, podría ser el lugar de origen de una gran cantidad de elementos pesados. Por otro lado, no está claro si los discos de acreción pueden estar presentes en torno a un collapsar. Asimismo, los investigadores explican que también están revisando otros aspectos. Están estudiando las señales de luz generadas por el material expulsado.
Algo que podrá utilizarse para determinar la masa y composición del material expulsado, en observaciones futuras, en colisiones de estrellas de neutrones. Para poder leer esas señales correctamente, es imprescindible tener un conocimiento preciso de la masa, y otras propiedades, de los elementos recién formados. Ahora mismo, explican los investigadores, los datos no son suficientes. Pero con los nuevos laboratorios, más experimentos, observaciones y el trabajo con los modelos teóricos, será posible determinarlo mejor y ver la importancia de las colisiones de estrellas de neutrones…
Estudio
El estudio es O. Just, S. Goriely, S. Nagataki et al.; «Neutrino absorption and other physics dependencies in neutrino-cooled black hole accretion discs». Publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society el 8 de octubre de 2021. Puede consultarse en arXiv, en este enlace.
Referencias: Phys
