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| El material rico en neutrones es expulsado del disco, permitiendo el proceso de captura rápida de neutrones (proceso r). La región azul claro es una eyección de materia especialmente rápida, llamada chorro, que suele originarse en paralelo al eje de rotación del disco. Crédito: National Radio Astronomy Observatory, EE.UU. |
¿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. 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.
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| Vista seccional de 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 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.
Estos neutrones se convierten de nuevo en protones, lo que dificulta el proceso r". Como muestra el estudio, la masa óptima del disco para la 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.
Fuentes, créditos y referencias:
O Just et al, Neutrino absorption and other physics dependencies in neutrino-cooled black hole accretion disks, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2021). DOI: 10.1093/mnras/stab2861