¿Cómo se producen los elementos químicos en nuestro Universo? ¿De dónde proceden los elementos pesados como el oro y el uranio? Mediante simulaciones por ordenador, un equipo de investigación del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung en Darmstadt, Alemania, junto con compañeros 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. La abundancia predicha de los elementos formados proporciona una idea de qué elementos pesados deben estudiarse en futuros laboratorios, como la Instalación de Investigación de Antiprotones e Iones (FAIR), que está 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 de la Tierra hoy en día se formaron en condiciones extremas en entornos astrofísicos: dentro de las estrellas, en explosiones estelares y durante la colisión de estrellas de neutrones. Los investigadores están intrigados con la pregunta de en cuál de estos eventos astrofísicos existen las condiciones apropiadas para la formación de los elementos más pesados, como el oro o el uranio.
La masa de disco de acreción óptima para una producción prolífica de elementos pesados como el oro es de aproximadamente de 0,01 a 0,1 masas solares
La espectacular primera observación de ondas gravitacionales y radiación electromagnética originada en una fusión de estrellas de neutrones en 2017 sugirió que se pueden producir y liberar muchos elementos pesados en estas colisiones cósmicas. Sin embargo, queda abierta la pregunta 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 prometedores para la producción de elementos pesados son los agujeros negros orbitados por un disco de acreción de materia densa y caliente. Dicho sistema se forma tanto después de la fusión de dos estrellas de neutrones masivas como durante el colapso y la posterior explosión de una estrella en rotación. La composición interna de tales discos de acreción no se ha entendido bien hasta ahora, particularmente con respecto a las condiciones bajo las cuales se forma un exceso de neutrones. Un alto número de neutrones es un requisito básico para la síntesis de elementos pesados, ya que permite el proceso rápido de captura de neutrones o proceso-r (por “rápido”). Los neutrinos casi sin masa juegan un papel clave en este proceso, ya que permiten la conversión entre protones y neutrones.
Cuanto más masivo es el disco, más a menudo se forman neutrones a partir de protones, pero hay un límite
«En nuestro estudio, investigamos sistemáticamente por primera vez las tasas de conversión de neutrones y protones para una gran cantidad de configuraciones de disco mediante elaboradas simulaciones por ordenador, y encontramos 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 teórica de GSI. «El factor decisivo es la masa total del disco. Cuanto más masivo es el disco, más a menudo se forman neutrones a partir de protones, gracias a la captura de electrones bajo emisión de neutrinos, y están disponibles para la síntesis de elementos pesados por medio del proceso-r. Sin embargo, si la masa del disco es demasiado alta, la reacción inversa juega un papel más importante, de modo que los neutrones recapturan más neutrinos antes de que abandonen el disco. Estos neutrones se convierten de nuevo en protones, lo que dificulta el proceso-r«.
Como muestra el estudio, la masa de disco óptima para una producción prolífica de elementos pesados es de aproximadamente de 0,01 a 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 ocurren en sistemas colapsados y con qué frecuencia.
La próxima generación de aceleradores de partículas
Además de los posibles procesos de eyección de masa, el grupo de investigación liderado por el Dr. Andreas Bauswein también está investigando las señales de luz generadas por la materia expulsada, que se utilizarán para inferir la masa y composición de la materia expulsada en futuras observaciones de colisiones entre estrellas de neutrones.
Un componente importante para leer correctamente estas señales de luz es el conocimiento preciso de las masas y otras propiedades de los elementos recién formados. «Estos datos son actualmente insuficientes. Pero con la próxima generación de aceleradores, como FAIR, será posible medirlos en el futuro con una precisión sin precedentes. La interacción bien coordinada de modelos teóricos, experimentos y observaciones astronómicas 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.
Fuente: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
