Desde el Big Bang, el universo primitivo tenía hidrógeno, helio y una escasa cantidad de litio. Más tarde, algunos elementos más pesados, incluido el hierro, se forjaron en las estrellas. Pero uno de los mayores misterios de la astrofísica es: ¿Cómo se crearon y distribuyeron por todo el universo los primeros elementos más pesados que el hierro, como el oro?
“Esta es una pregunta bastante fundamental en términos del origen de la materia compleja en el universo”, dijo Anirudh Patel, estudiante de doctorado en la Universidad de Columbia en Nueva York. “Es un rompecabezas divertido que en realidad no ha sido resuelto”.
Patel dirigió un estudio utilizando datos de archivo con 20 años de antigüedad, provenientes de los telescopios de la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea), que ha encontrado evidencia de una fuente sorprendente de una gran cantidad de estos elementos pesados: erupciones de estrellas de neutrones que tienen una gran carga magnética, llamadas magnétares o magnetoestrellas. El estudio fue publicado en The Astrophysical Journal Letters.
Los autores del estudio estiman que las erupciones gigantes de los magnétares podrían contribuir hasta con un 10% de la abundancia total de elementos más pesados que el hierro en la galaxia. Dado que la existencia de los magnétares es relativamente antigua en la historia del universo, el primer elemento oro podría haberse formado de esta manera.
“El estudio trata de responder a una de las preguntas del siglo y de resolver un misterio utilizando datos de archivo que casi habían sido olvidados”, dijo Eric Burns, coautor del estudio y astrofísico de la Universidad Estatal de Luisiana en Baton Rouge.
¿Cómo se puede formar oro en un magnétar?
Las estrellas de neutrones son los núcleos colapsados de estrellas que han hecho explosión. Son tan densas que una cucharadita de material de una estrella de neutrones, en la Tierra, pesaría tanto como mil millones de toneladas. Un magnétar es una estrella de neutrones que tiene un campo magnético extremadamente fuerte.
En raras ocasiones, los magnétares liberan una enorme cantidad de radiación de alta energía cuando experimentan “estrellamotos” que, al igual que los terremotos de la Tierra, fracturan la corteza de la estrella de neutrones. Los terremotos estelares también pueden estar asociados con potentes ráfagas de radiación denominadas erupciones gigantes de magnétares, las cuales incluso pueden afectar la atmósfera de la Tierra. Solo se han observado tres erupciones gigantes de magnétares en la Vía Láctea y la cercana Gran Nube de Magallanes, y siete en su exterior.
Patel y sus colegas, incluido su asesor Brian Metzger, profesor de la Universidad de Columbia y científico investigador principal del Instituto Flatiron de Nueva York, han estado pensando en cómo la radiación de las erupciones gigantes podría corresponder a los elementos pesados que se forman allí. Esto sucedería mediante un “proceso rápido” en el que los neutrones forjarían núcleos atómicos más pesados a partir de núcleos más livianos.
Los protones definen la identidad de los elementos en la tabla periódica: el hidrógeno tiene un protón, el helio tiene dos, el litio tiene tres, y así sucesivamente. Los átomos también tienen neutrones que no afectan la identidad del elemento, pero sí añaden masa. A veces, cuando un átomo captura un neutrón adicional, el átomo se vuelve inestable y tiene lugar un proceso de desintegración nuclear que convierte un neutrón en un protón, desplazando el átomo hacia delante en la tabla periódica. Así es como, por ejemplo, un átomo de oro podría tomar un neutrón adicional y luego transformarse en mercurio.
En el entorno único de una estrella de neutrones fracturada, en el que la densidad de neutrones es extremadamente alta, sucede algo aún más extraño: los átomos individuales pueden capturar rápidamente tantos neutrones que sufren múltiples desintegraciones, lo que lleva a la creación de un elemento mucho más pesado, como el uranio.
Cuando los astrónomos observaron la colisión de dos estrellas de neutrones en 2017 utilizando telescopios de la NASA y el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO, por sus siglas en inglés), además de numerosos telescopios en tierra y en el espacio que hicieron seguimiento al descubrimiento inicial, confirmaron que este fenómeno podría haber creado oro, platino y otros elementos pesados. Pero las fusiones de estrellas de neutrones ocurren demasiado tarde en la historia del universo como para explicar el oro y otros elementos pesados de origen antiguo. Investigaciones recientes realizadas por los coautores del nuevo estudio —Jakub Cehula de la Universidad Charles en Praga, Todd Thompson de la Universidad Estatal de Ohio y Metzger— han descubierto que las erupciones de los magnétares pueden calentar y expulsar material de la corteza de estrellas de neutrones a altas velocidades, lo que las convierte en una fuente potencial de estos elementos.
Nuevas pistas en datos antiguos
Al principio, Metzger y sus colegas pensaron que las señales de la creación y distribución de elementos pesados en un magnétar aparecerían en la luz visible y ultravioleta, y publicaron sus predicciones. Pero Burns, desde Luisiana, se preguntó si podría haber una señal de rayos gamma lo suficientemente brillante como para ser detectada también. Les pidió a Metzger y Patel que lo comprobaran, y descubrieron que sí podría existir tal señal.
“En algún momento, dijimos: ‘Está bien, deberíamos preguntar a los observadores si han visto alguna’”, dijo Metzger.
Burns buscó los datos de rayos gamma de la última erupción gigante que se ha observado, la cual ocurrió en diciembre de 2004. Se dio cuenta de que, aunque los científicos habían explicado el origen del estallido, también habían identificado una señal más pequeña proveniente del magnétar, en datos del Laboratorio Internacional de Astrofísica de Rayos Gamma (INTEGRAL, por sus siglas en inglés) de la ESA, una misión con contribuciones de la NASA que fue recientemente retirada de servicio. “En ese momento fue advertida, pero nadie tenía idea de lo que podría ser”, dijo Burns.
Metzger recuerda que Burns pensó que él y Patel estaban “tomándole el pelo” porque la predicción del modelo de su equipo coincidía muy estrechamente con la señal misteriosa en los datos de 2004. En otras palabras, la señal de rayos gamma detectada hace más de 20 años correspondía a lo que debería observarse cuando se crean elementos pesados y estos luego se distribuyen en una erupción gigante de un magnétar.
Patel estaba muy entusiasmado: “No pude pensar en ninguna otra cosa durante una o dos semanas. Era lo único que tenía en mente”, dijo.
Los investigadores respaldaron su conclusión utilizando datos de dos misiones de heliofísica de la NASA: el Generador de imágenes espectroscópicas solares de alta energía Reuven Ramaty (RHESSI, por sus siglas en inglés), ya retirado, y el satélite Wind de la NASA, todavía en operaciones, que también había observado la erupción gigante del magnétar. Otro colaborador del nuevo estudio es Jared Goldberg del Instituto Flatiron.
Próximos pasos en la fiebre del oro de los magnétares
La próxima misión del Espectrómetro y generador de imágenes Compton (COSI, por sus siglas en inglés) de la NASA puede dar seguimiento a estos resultados. Se espera que COSI, un telescopio de rayos gamma de campo amplio, sea lanzado en 2027 y que estudie fenómenos energéticos en el cosmos, tales como las erupciones gigantes de magnétares. COSI será capaz de identificar elementos individuales creados en estos sucesos, proporcionando un nuevo avance en la comprensión del origen de los elementos. Este uno de los muchos telescopios que pueden trabajar juntos para buscar cambios “transitorios” en todo el universo.
Los investigadores también harán seguimiento de otros datos de archivo para ver si hay más secretos ocultos en las observaciones de otras erupciones gigantes de magnétares.
“Es genial pensar en cómo algunos de los elementos en mi teléfono o mi computadora portátil se forjaron en este tipo de explosiones extremas en el transcurso de la historia de nuestra galaxia”, dijo Patel.
Por Elizabeth Landau
Sede central de la NASA, Washington
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