¿De dónde proviene el oro? Nuevos datos sobre el origen de los elementos pesados

¿Cómo se producen los elementos químicos en nuestro Universo? ¿De dónde proceden los elementos pesados ??como el oro y el uranio? Utilizando simulaciones por computadora, un equipo de investigación del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung en Darmstadt en 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 información sobre qué elementos pesados ??deben estudiarse en los 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. 

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. Pero a los investigadores les intriga saber 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 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 más 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 llamado colapso, el colapso y la posterior explosión de una estrella en rotación. La composición interna de tales discos de acreción no se ha conocido 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. Los neutrinos casi sin masa juegan un papel clave en este proceso, ya que permiten la conversión entre protones y neutrones.

Vista en sección mediante la simulación de un disco de acreción./ Crédito: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

"En nuestro estudio, investigamos sistemáticamente por primera vez las tasas de conversión de neutrones y protones para un gran número de configuraciones de disco mediante elaboradas simulaciones por computadora, 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 Teoría de la división de investigación del 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 (...) y están disponibles para la síntesis de elementos pesados ??mediante el proceso r". Como muestra el estudio, la masa óptima del disco para una producción prolífica de elementos pesados es de aproximadamente 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 parte de los elementos pesados, como el oro. Sin embargo, actualmente no está claro si estos discos de acreción ocurren en sistemas colapsados ??y con qué frecuencia.

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 esta materia en futuras observaciones de fusiones de 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 con una precisión sin precedentes en el futuro. La interacción bien coordinada de modelos teóricos, experimentos y observaciones astronómicas nos permitirá investigadores en los próximos años para probar si son las fusiones de estrellas de neutrones el origen de los elementos del proceso r ", predice Bauswein.

Los resultados de esta investigación se publican en la revista mensual de la Royal Astronomical Society.