Cuando dos estrellas de neutrones chocan entre sí, no solo provocan fuegos artificiales. La dinámica intensa de la kilonova también produce elementos pesados, sembrándolos en todo el Universo. Ahora, por primera vez, los astrónomos han identificado un elemento recién formado en una estrella de neutrones kilonova.
El elemento es el estroncio, y su detección confirma la noción de que las colisiones de estrellas de neutrones realmente proporcionan las condiciones para crear elementos más pesados que el hierro.
En agosto de 2017, cuando la humanidad capturó nuestra primera colisión de estrellas de neutrones mediante una combinación de suerte, ingenio y entusiasmo, los datos sugirieron algo que los astrónomos ya habían sospechado. A saber, estos eventos energéticos producir metales más pesados tales como oro, uranio y platino.
Pero aunque análisis espectral de la fusión, GW 170817, mostró características de absorción consistentes con la producción de elementos pesados, en realidad la identificación positiva de uno resultó un poco más difícil, debido a la complejidad de los espectros y nuestra comprensión limitada de las kilonovas de fusión de la estrella de neutrones.
Ahora, un equipo internacional de astrónomos ha vuelto a analizar los espectros tomados por el X-Shooter instrumento en el Very Large Telescope, y encontró características de absorción asociadas con estroncio.
"Esta es la etapa final de una persecución de décadas para precisar el origen de los elementos". dijo el astrofísico Darach Watson de la Universidad de Copenhague, Dinamarca.
"Ahora sabemos que los procesos que crearon los elementos ocurrieron principalmente en estrellas ordinarias, en explosiones de supernovas o en las capas externas de estrellas viejas. Pero, hasta ahora, no conocíamos la ubicación del proceso final, no descubierto, conocido como captura rápida de neutrones, que creó los elementos más pesados en la tabla periódica ".
Sabemos que, en los primeros días del Universo, los elementos más ligeros, hidrógeno y helio, se formaron con relativa rapidez. Durante un tiempo, eso fue todo lo que había, hasta que la gravedad comenzó a unir la materia para crear estrellas.
En sus núcleos, estas estrellas fusionaron hidrógeno en helio, luego helio en carbono, y así sucesivamente, con las estrellas más masivas capaces de fusionar núcleos hasta el hierro. Pero el hierro, el elemento número 26 en la tabla periódica, es donde se detiene, ya que no se puede extraer energía de su fusión.
Para acelerar las cosas desde allí, necesitamos un proceso rápido de captura de neutrones, o proceso r. Una explosión realmente enérgica puede generar una serie de reacciones nucleares en las que los núcleos atómicos colisionan con los neutrones para sintetizar elementos más pesados que el hierro.
Las reacciones deben ocurrir lo suficientemente rápido como para que no se produzca la desintegración radiactiva antes de que se agreguen más neutrones al núcleo. Esto significa que debe suceder donde hay muchos neutrones libres flotando, como una supernova al final de la vida de una estrella masiva, o la kilonova que se produce al chocar las estrellas de neutrones.
Y GW 170817 seguro fue explosivo. Produjo una capa de material que se expandió hacia el exterior en un 20 a 30 por ciento de la velocidad de la luz, y se cree que la mayor parte de ese material consiste en elementos recién formados.
Los elementos pueden absorber longitudes de onda de luz específicas, por lo que cuando los científicos observan el espectro de longitud de onda, pueden ver qué longitudes de onda se han absorbido y en qué medida, y conectarlas a elementos específicos.
"En realidad se nos ocurrió la idea de que podríamos estar viendo estroncio bastante rápido después del evento". explicó el astrofísico Jonatan Selsing de la universidad de Copenhague.
"Sin embargo, demostrar que este fue el caso demostró ser muy difícil. Esta dificultad se debió a nuestro conocimiento altamente incompleto de la apariencia espectral de los elementos más pesados en la tabla periódica".
Los investigadores modelaron los espectros observados y estudiaron los espectros sintéticos para tratar de obtener una comprensión más profunda de los elementos producidos.
Dijeron que las características notables de absorción que observaron a las longitudes de onda de 350 y 850 nm en los datos del X-Shooter eran consistentes con aproximadamente cinco veces el valor de masa de estroncio de la Tierra, el elemento 38 en la tabla periódica (definitivamente más pesado que el hierro). Eso es muchísimo estroncio. piensa cuántos relojes atómicos podrías hacer.
Significa que ahora podemos estar más seguros que nunca de que estas explosiones realmente pueden producir el proceso r.
"Esta es la primera vez que podemos asociar directamente material recién creado formado a través de la captura de neutrones con una fusión de estrellas de neutrones". dijo el astrónomo Camilla Juul Hansen del Instituto Max Planck de Astronomía, "confirmando que las estrellas de neutrones están formadas por neutrones y vinculando el proceso de captura rápida de neutrones a las fusiones".
La investigación ha sido publicada en Naturaleza.