Decodificando la química detrás de una fusión estelar

Las leyes de la física permiten a los científicos reconstruir la evolución del Universo hasta sus orígenes. Desde mediados del siglo XX, modelos y observaciones han rastreado los procesos de los que nacen los elementos químicos que nos rodean; se ha demostrado que los más ligeros, como el hidrógeno y el helio aparecieron en grandes cantidades durante el Big Bang. Más tarde, la fusión en los núcleos de las estrellas generó otros átomos, en concreto los que se hallan en el rango de masas que va desde el helio hasta el hierro. Sin embargo, hasta ahora el origen de elementos pesados como el oro, el plomo y el uranio aún no había podido identificarse de forma definitiva.

Por primera vez, un equipo de científicos ha hallado pruebas de la presencia de estroncio (un metal alcalinotérreo) en la fusión de dos estrellas de neutrones, confirmando así que los elementos químicos más pesados del universo se forjan en estos fenómenos cósmicos. Los detalles aparecen descritos en el último número de la revista Nature. «Es la última etapa de una búsqueda que ha llevado décadas», afirma Darach Watson, investigador de la Universidad de Copenhague y coautor del artículo. «Sabíamos que los procesos que crearon la mayoría de elementos ocurren en estrellas normales, ya sea en explosiones de supernovas o en las capas externas de estrellas viejas, pero hasta ahora no sabíamos dónde tenía lugar la captura rápida de neutrones, que es la que crea los elementos más pesados en la tabla periódica».

En 2017, después de la detección de ondas gravitacionales, el Observatorio Europeo Austral (ESO) apuntó con su Telescopio Muy Grande (VLT) en Chile hacia el fenómeno que las había originado: una fusión de estrellas de neutrones en la galaxia NGC 4993 de la constelación Hydra. Así, pudieron monitorizar la explosión de una kilonova, resultado de dicha fusión, y capturar una amplia gama de longitudes de onda gracias a una de las herramientas del VLT, el espectrómetro X-shooter.

Para analizar planetas, estrellas y galaxias lejanas los científicos trabajan a partir de la luz que detectan los telescopios, luz que se divide después en sus diferentes colores, o longitudes de onda. La lectura de estos espectros lumínicos es la que sugirió a los investigadores la presencia de elementos pesados, aunque en un primer momento no se pudo concretar de cuáles se trataba. «Formulamos la idea de que podría tratarse de estroncio poco después de observar el fenómeno, sin embargo demostrarlo ha resultado muy difícil», reconoce Jonatan Selsing, también investigador de la Universidad de Copenhague. «Tenemos un conocimiento muy incompleto de la apariencia espectral de los elementos más pesados en la tabla periódica».

HUELLAS DEL ‘PROCESO’

Los modelos teóricos respaldaban la idea de que la producción de átomos pesados tenía que estar ligada a un proceso que fija neutrones libres a núcleos ya existentes. Y la prueba definitiva de esta teoría debía hallarse precisamente en las kilonovas, las grandes explosiones generadas por las fusiones estelares que emiten potentes señales de radiación electromagnética. «Volvimos a analizar los datos de la fusión de 2017 y conseguimos identificar la firma de un elemento pesado en la explosión: el estroncio», añade Watson.

La clave es el llamado proceso r, también conocido como captura rápida de neutrones, que sólo ocurre en ambientes extremos donde los átomos son bombardeados por un gran número de partículas. En este proceso el núcleo atómico captura neutrones lo suficientemente rápido para que no se dé una desintegración radiactiva antes de que lleguen otros, lo que permite la creación de elementos muy pesados. «Es muy, muy probable que haya otros elementos pesados en las kilonovas», afirma Watson, «pero no somos capaces de identificarlos porque no conocemos la firma espectral de la mayoría de ellos».

TEMPERATURAS DE 4.300 °C

Los científicos basaron su reevaluación en la creación de espectros sintéticos y su comparación con modelos de los espectros observados, que fueron capturados durante los cuatro días en los que fue visible la kilonova. Los datos recogidos indicaban un objeto con una temperatura inicial de aproximadamente 4.300 °C, que se desvaneció y se enfrió en los días siguientes. «Todos los elementos presentan líneas distintivas a longitudes de onda características, esa es su firma espectral», detalla Watson. «En el caso del estroncio (en realidad estroncio ionizado o Sr+) tiene muy pocas líneas, pero muy fuertes, y podemos calcular cómo sería esa firma durante la explosión de una kilonova. Al compararlo con los resultados observados, vemos que sólo la firma del estroncio coincide en fuerza y longitud de onda».

Los expertos explican también que las variaciones de luminosidad en longitudes de onda de 350 y 850 nanómetros (nm) les permiten identificar los elementos en función de la forma única en la que absorben la luz. El equipo pudo así calcular los espectros de un gran número de átomos, utilizando tres métodos complejos y teniendo en cuenta, además, el desplazamiento de líneas de absorción provocado por el efecto Doppler. Dado que los tres métodos arrojaron resultados consistentes, los autores consideran que la conclusión final es sólida: sólo el estroncio generado por el proceso r es capaz de explicar la absorción lumínica.

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