Kilonovas y metales pesados

En mi post anterior, mostré las banderas de mi micronación, el porqué de sus colores y símbolos y todo lo demás, pero respecto a los colores, si mal no recuerdo, dije que el dorado en la franja central de la bandera simbolizaría la perfección, el conocimiento, lo importante y valioso que es este proyecto para mí, y también el oro en sí, que se forma, junto con otros metales pesados, a partir de la colisiones entre estrellas de neutrones.

Aprovechando que recordé haber leído algunas noticias relacionadas precisamente con la producción de oro, platino y otros metales más densos que el hierro en colisiones o fusiones entre estrellas de neutrones, escribiré un poco sobre esto en este post, ya que me parece un tema muy interesante que además demuestra lo importante y valioso que son las estrellas compactas en el universo, además de lo fascinante que resulta ser el estudio de estos cuerpos celestes.

Colisión entre estrellas de neutrones y oro

Cuando en 2015 un equipo internacional de astrónomos detectó las primeras ondas gravitacionales provenientes de la fusión de estrellas de neutrones, encontraron, junto a este gran descubrimiento, evidencia de que estas estrellas son la principal fuente de los elementos pesados que existen en el universo, incluidos el oro y el platino.

"Esta es una fuente que siempre pensamos que veríamos", dijo David Reitze, director ejecutivo del observatorio LIGO, que detectó por primera vez las ondas cósmicas llamadas ondas gravitacionales el 14 de septiembre de 2015, en una conferencia de prensa que ocurrió en el 16 de octubre de 2017.

Los cuerpos estelares llamados pares de estrellas de neutrones ya se habían predicho anteriormente. Lo que vino después, la emisión de luz a través del espectro electromagnético, nos fue revelado por una campaña en la que participaron 70 observatorios, incluidos siete observatorios espaciales y todos los continentes de la superficie del planeta.

Las ondas gravitacionales son una consecuencia de la teoría general de la relatividad de Einstein, que establece que la gravedad es una curvatura en el espacio-tiempo, no una fuerza.

Si imaginamos cualquier objeto (un planeta, una estrella o incluso una persona) moviéndose por el espacio, la curvatura se mueve y crea ondas gravitacionales como la estela de un barco.

Solo los objetos realmente masivos, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros, crean ondas detectables.

Ondas gravitatorias generadas por un sistema binario. La deformación se produce en un plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

Cuando dos estrellas de neutrones colisionan, en un evento cataclísmico llamado de kilonova (que también puede ocurrir a través de la fusión o colisión de una estrella de neutrones y un agujero negro), los teóricos predicen dos consecuencias: las estrellas generarían elementos más pesados que el níquel y el hierro en la tabla periódica, y emitirían ondas gravitacionales al girar en espiral hacia el interior.

Estas ondas cósmicas en el espacio-tiempo restarían energía a las estrellas en rápida órbita, y finalmente las estrellas de neutrones colisionarían y se fusionarían. Las colisiones serían la fuente de elementos como el platino, el uranio y el oro. El truco consistía en atrapar a un par de estrellas de neutrones en el acto.

Ilustración de una colisión entre dos estrellas de neutrones.

Ahí es donde entraron en juego el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Láser (LIGO), ubicado en los Estados Unidos y el Interferómetro Virgo en Italia.

Una vez que LIGO detectó las ondas gravitacionales, los astrónomos pudieron orientar sus telescopios, tanto en el espacio como en tierra, hacia la región de donde parecían provenir y localizar su origen.

Se trataba de dos estrellas de neutrones, ubicadas a unos 130 millones de años luz de la Tierra en una galaxia elíptica llamada NGC 4993, en la constelación de Hidra.

La fuente de ondas gravitacionales se denominó GW170817, en honor a la fecha en que se produjo (17 de agosto de 2017).

Las colisiones entre estrellas de neutrones generarían una bola de fuego altamente radiactiva, afirmó el astrónomo Nial Tanvir, de la Universidad de Leicester, Reino Unido, quien dirigió el equipo de observación que realizó las primeras observaciones infrarrojas de GW170817 tras la detección de ondas gravitacionales.

Las estrellas de neutrones son el tipo de estrella más pequeño y denso que se conoce, superadas sólo por las estrellas exóticas y los agujeros negros, que se forman cuando estrellas más masivas explotan en supernovas.

A medida que la órbita de las dos estrellas de neutrones fue disminuyendo en forma de espiral, el sistema binario emitió ondas gravitacionales que fueron detectadas durante unos 100 segundos.

Al colisionar, con una velocidad de aproximadamente la tercera parte de la velocidad de la luz, se emitió un destello de luz en forma de rayos gamma que fue observado en la Tierra dos segundos después de la detección de las propias ondas gravitacionales.

La teoría, explicó, era que, en la violencia de la colisión entre estrellas de neutrones, los elementos más pesados que se forman a medida que las partículas subatómicas chocan entre sí. El equipo observó que los espectros de luz infrarroja de las estrellas de neutrones revelaban elementos pesados, y que gran parte de ese material se liberaba.

Recreación del choque de dos estrellas de neutrones.

El hallazgo representó un paso importante para comprender el origen de los elementos pesados ricos en neutrones del universo, así como los que encontramos en la Tierra.

Anteriormente se creía que las supernovas creaban dichos elementos, pero el proceso no era lo suficientemente eficiente, explicó Marcelle Soares-Santos, profesora adjunta de física en la Universidad Brandeis de Massachusetts. La proporción de elementos pesados en la Tierra parecía demasiado grande para ser explicada por las cantidades generadas por las supernovas, añadió.

El astrónomo de Harvard Edo Berger, coautor del estudio dirigido por Soares-Santos, que describe las primeras observaciones ópticas del señal de onda gravitatoria GW170817, afirmó que ahora existe una respuesta a esta última pregunta: aproximadamente 16.000 masas terrestres, una pequeña fracción de la masa total de las dos estrellas de neutrones. "Solo el oro y el platino contienen unas diez veces la masa de la Tierra", explicó. (El oro constituye aproximadamente una millonésima parte de la masa terrestre, y la mayor parte se encuentra en el núcleo del planeta). Todos estos elementos pesados pasan a formar parte del medio interestelar y, con el tiempo, una fracción termina formando parte de nuevos planetas.

Berger afirmó que los nuevos datos no significan que las supernovas no produzcan elementos más pesados, sino que las estrellas de neutrones parecen ser responsables de al menos una gran parte de esta formación. "Con este canal de estrellas de neutrones, no tenemos que depender de las supernovas", afirmó.

Tanvir explicó que la formación de elementos es, en cierto sentido, un proceso bien comprendido. "Sabemos que, si se dan las condiciones adecuadas, esto puede ocurrir", afirmó. Esta observación demostró que las estrellas de neutrones parecen cumplir esas condiciones, añadió.

Pero no sólo oro y platino. Las estrellas de neutrones en colisión forjan estroncio, europio, lantano y cerio.

Al principio había hidrógeno y helio. Aparte de algunos rastros de cosas como el litio, esto es toda la materia producida por el Big Bang. Todo lo que está más allá de estos dos elementos fue producido en gran medida por procesos astrofísicos más que cosmológicos.

Los elementos que vemos a nuestro alrededor, aquellos que nos componen, se formaron principalmente dentro de los corazones de las estrellas (es decir, en sus núcleos). Ellos fueron creados en el horno de los núcleos estelares y luego arrojados al espacio cuando la estrella murió. Pero hay algunos elementos que se crean de manera diferente. El más común es el oro.

Aunque el oro se puede producir en un núcleo estelar, el oro que tenemos en la Tierra no se produjo de esta manera. El oro es un elemento muy pesado, por lo que cuando una estrella explota la mayor parte del oro permanece en el núcleo.

Quizás te estés preguntando ahora, ¿Entonces de dónde viene nuestro oro?, y la respuesta a esa pregunta es muy sencilla: el oro terrestre surgió de colisiones de estrellas de neutrones.

Cuando dos estrellas de neutrones chocan, se separan y crean una kilonova. Toda esa materia nuclear dentro de las estrellas de neutrones se libera del peso aplastante de la gravedad y se convierte rápidamente en elementos como el oro. Sabemos esto porque la cantidad de oro que vemos en la galaxia concuerda con la tasa de colisiones de estrellas de neutrones.

Durante un tiempo, los astrónomos asumieron que las colisiones de estrellas de neutrones también eran la fuente principal de otros elementos pesados, particularmente la serie de los lantánidos, también conocidos como elementos de tierras raras.

Pero eso es sólo una teoría. No tenemos una buena medida de la abundancia cósmica de elementos de tierras raras, por lo que es una idea difícil de probar. Pero eso ha cambiado gracias a un estudio reciente.

Retrocediendo 7 años en el tiempo, en 2017, los observatorios de ondas gravitacionales capturaron la señal GW170817. La kilonova resultante fue observada por observatorios de todo el mundo, convirtiéndose en la primera gran observación multimensajero que combina datos recopilados de ondas electromagnéticas y gravitacionales (como se explicó antes).

Algunas de las observaciones electromagnéticas incluían datos de líneas espectrales, por lo que en principio deberíamos poder identificar qué elementos se formaron por la colisión. Esto es bastante fácil para los elementos más ligeros, pero más desafiante para los más pesados. En este estudio, el equipo realizó simulaciones de supercomputadoras de explosiones de kilonovas y calculó dónde deberían aparecer las líneas de absorción en función de diferentes elementos.

Cuando compararon sus cálculos con los espectros observados de GW170817, pudieron identificar varios elementos de tierras raras, incluidos el estroncio, el lantano y el cerio. Es la primera vez que se confirma que estos elementos son subproductos de una fusión de estrellas de neutrones.

Nubes de escombros de estrellas de neutrones: algunos de los elementos más pesados del universo se forjan en estas ocasiones.

La imagen de arriba, de la NASA, muestra la nube caliente, densa y en expansión de escombros arrancados de las estrellas de neutrones justo antes de que colisionen.

Esta nube produce una kilonova, que es un evento astronómico que ocurre cuando dos estrellas de neutrones o una estrella de neutrones y un agujero negro se fusionan. La nube muestra luz visible e infrarroja. Dentro de estos restos ricos en neutrones se forjaron enormes cantidades de algunos de los elementos más pesados del universo, incluidos cientos de masas terrestres de oro y platino.

Los elementos más livianos de la tabla periódica, como el hidrógeno o el helio, fueron creados durante el Big Bang.

Elementos más pesados, como el oxígeno o el carbono, surgieron más tarde, de la fusión dentro del corazón de las estrellas. Y algunos elementos más pesados fueron creados por una supernova (que se produce cuando una estrella grande envejece y se queda sin combustible y colapsa en una implosión).

Sin embargo, para crear elementos más pesados aún (más pesados que el hierro), se necesita una explosión todavía más poderosa, como la de dos estrellas de neutrones por ejemplo.

Los astrónomos ahora tienen evidencia de que éste es uno de los procesos capaces de forjar más de la mitad de los elementos de la tabla periódica, pero la nueva investigación busca determinar en qué cantidades una colisión de este tipo produce dichos elementos.

Un estudio, realizado en 2021 por investigadores del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) y la Universidad de New Hampshire, ubicadas en los Estados Unidos, compara la cantidad de metales pesados (en astronomía, todo lo que no sea hidrógeno o helio se considera "metálico") producido por la colisión entre dos estrellas de neutrones y una estrella de neutrones con un agujero negro. Según los resultados, la mayor cantidad de metales en el universo en los últimos 2.500 millones de años se produjo en colisiones entre dos estrellas de neutrones.

Esta fue la primera comparación entre los dos tipos de fusión y sus funciones en la producción de elementos pesados en la tabla periódica. Esto significa que los sistemas binarios de estrellas masivas son extremadamente importantes en este sentido, porque sólo a través de ellos dos estrellas de neutrones pueden formar un sistema cataclísmico, en una órbita espiral que eventualmente resultará en una fusión.

Cuando dos estrellas masivas nacen cerca una de la otra, forman un sistema binario. Este tipo de estrella, de color azul, tiene una vida corta y explota en unos pocos millones o miles de años, mientras que estrellas como el Sol duran miles de millones de años. Cuando los sistemas binarios de estrellas azules explotan como supernovas, lo que queda son dos estrellas de neutrones orbitando un punto común.

Estos sistemas binarios superdensos pueden girar en una especie de “espiral de la muerte”, lo que resultará en una colisión entre las dos estrellas de neutrones. El impacto crea ondas gravitacionales, y fue precisamente una onda de este tipo la que detectaron los científicos de LIGO y Virgo en 2017. Esa fusión de estrellas de neutrones, específicamente, produjo una cantidad de oro equivalente a varias veces la masa de la Tierra, como ya lo había dicho previamente el astrónomo de Harvard Edo Berger.

Al comparar este tipo de fusión con una colisión entre una estrella de neutrones y un agujero negro, el equipo primero estimó la masa de cada objeto en cada tipo de fusión, así como la velocidad de rotación de cada agujero negro.

Si el agujero negro fuera demasiado grande o demasiado lento, se tragaría una estrella de neutrones antes de que tuviera la oportunidad de producir elementos, por ejemplo. También determinaron la fuerza de cada estrella de neutrones: cuanto más fuerte es, menos probable es que produzca elementos pesados. Finalmente, estimaron con qué frecuencia ocurre una fusión en comparación con otra, basándose en observaciones de LIGO, Virgo y otros detectores de ondas gravitacionales.

El estudio es el primero en comparar las fusiones entre dos estrellas de neutrones y entre estrellas de neutrones y agujeros negros en términos de producción de metales pesados. Los hallazgos también podrían ayudar a los científicos a determinar la velocidad a la que se producen los metales en todo el universo.

“Lo que nos entusiasma de nuestro resultado es que, con cierta confianza, podemos decir que los sistemas binarios de estrellas de neutrones son probablemente una mina de oro más grande que las fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros”, dice el autor principal Hsin-Yu Chen, investigador postdoctoral en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT.

A medida que las estrellas experimentan el proceso de fusión nuclear en sus núcleos, necesitan energía para fusionar protones en elementos más pesados.

Las estrellas son eficientes en la producción de elementos más ligeros, desde el hidrógeno hasta el hierro. Sin embargo, fusionar más de los 26 protones del hierro se vuelve energéticamente ineficiente, porque fusionar el hierro consume más energía de la que libera.

"Si quieres ir más allá del hierro y construir elementos más pesados como el oro y el platino, necesitas otra forma de agrupar los protones", dice el coautor Salvatore Vitale, profesor de física en el MIT, en una declaración.

Esta tabla periódica muestra qué elementos se forman a partir de explosiones estelares, colisiones entre estrellas de neutrones y otros procesos cósmicos.

El equipo se propuso determinar cuánto oro y otros metales pesados podrían producirse normalmente en las fusiones entre estrellas de neutrones y entre estrellas de neutrones y agujeros negros. Para su análisis, se centraron en las detecciones realizadas de estrellas de neutrones binarias y de fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros por el LIGO y Virgo.

Los investigadores primero estimaron la masa de cada objeto en cada una de estas fusiones, así como la velocidad de rotación de cada agujero negro, razonando que si un agujero negro fuera demasiado masivo y lento, se tragaría una estrella de neutrones y quedaría destrozado.

Cuanto más resistente y fuerte sea una estrella, menos probabilidades tendrá de producir elementos pesados. También estimaron con qué frecuencia ocurre una fusión en comparación con otra, basándose en observaciones de LIGO, Virgo y otros observatorios.

Finalmente, el equipo utilizó simulaciones numéricas para calcular la cantidad promedio de oro y otros metales pesados que produciría cada fusión, dadas diferentes combinaciones de masa de los objetos, rotación, grado de perturbación y tasa de ocurrencia.

Como resultado, los investigadores descubrieron que las fusiones de estrellas de neutrones binarias pueden generar de 2 a 100 veces más metales pesados que las fusiones entre una estrella de neutrones y un agujero negro.

Conocer las proporciones de elementos pesados que produce cada fusión puede ayudar a los astrónomos a determinar la edad de las galaxias distantes y si este tipo de colisiones han ocurrido en el pasado.

Otra noticia más reciente y muy interesante que encontré antes de terminar este artículo relacionada fue que, por primera vez, los astrónomos han confirmado que una colisión entre estrellas de neutrones produjo metales más pesados que el hierro, como la plata y el oro. El evento, en particular, se detectó por el telescopio James Webb en 2023 y sus efectos fueron confirmados en un nuevo estudio publicado por la revista científica Nature el 21 de febrero del año pasado (enlace al artículo de Nature en las fuentes).

El evento GRB 230307A fue uno de los estallidos de rayos gamma más potentes jamás vistos por los científicos. Estos eventos suelen durar apenas unos segundos, pero este fue un caso raro: duró 200 segundos de brillo intenso, sólo superado por GRB 221009A.

Utilizando datos de los telescopios espaciales James Webb y Hubble, los autores del nuevo estudio de 2023 observaron la evolución de los restos de kilonova y encontraron oro y otros elementos pesados. Esta es una nueva evidencia que apoya los modelos teóricos que predicen la producción de oro en colisiones entre estrellas de neutrones.

Por otra parte, todavía hay cierta incertidumbre sobre el origen de los estallidos de rayos gamma detectados recientemente, especialmente los GRB 221009A y GRB 230307A, que batieron récords. Los eventos tienen propiedades similares a las encontradas en la kilonova AT2017gfo.

Si bien no hay pruebas definitivas de que los estallidos de rayos gamma provengan de la misma kilonova (lo cual no es una tarea sencilla, dado que las colisiones ocurrieron en una galaxia a 8,3 millones de años luz de distancia), las similitudes entre ellas son evidencia suficiente para vincular la producción de oro con las kilonovas.

Cada artículo que escribo aquí, basado principalmente en las fuentes que utilizo, me genera más asombro y curiosidad por leer más sobre este tema de las estrellas exóticas y compactas, ya que son objetos que además de ser extremadamente densos, también son sumamente interesantes e intrigantes, lo que hace que cada día crezca dentro de mí el deseo de estudiar este tipo de objetos.

Este blog ha sido como una terapia para mí, ya que me hace ejercitar mucho mi mente, algo que las redes sociales no hacen, ya que la gente generalmente en estos lugares se centra en temas que no son relevantes para mí, como el sexo, las relaciones, la política, el fútbol o la religión.

Con el tiempo creo que iré mejorando los artículos y la maquetación del blog, ya que el último blog que tuve fue sobre videojuegos en 2011, es decir, hace más de 10 años. Pero para aquellos que encontraron este artículo demasiadamente largo, complejo o repetitivo, encontré este vídeo en YouTube que explica de forma muy didáctica qué es una kilonova y cuánto oro y otros elementos pesados se puede producir en una sola colisión entre dos estrellas de neutrones (el vídeo está en inglés, pero tiene subtítulos en español) es decir, el vídeo en sí es un buen resumen de este artículo.

Fuentes:

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República Independiente de las Estrellas Compactas

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Colisión entre estrellas de neutrones y oro

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