Los astrónomos han visto el estroncio después de una colisión entre dos estrellas de neutrones. Esta es la primera vez que se identifica un elemento pesado en una kilonova, la consecuencia explosiva de este tipo de colisiones. El descubrimiento cierra un agujero en nuestra comprensión de cómo se forman los elementos pesados.
En 2017, el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) y el observatorio europeo VIRGO detectaron ondas gravitacionales provenientes de la fusión de dos estrellas de neutrones. El evento de fusión se llamó GW170817, y estaba a unos 130 millones de años luz de distancia en la galaxia NGC 4993.
La kilonova resultante se llama AT2017gfo, y el Observatorio Europeo Austral (ESO) apuntó varios de sus telescopios para observarla en diferentes longitudes de onda. En particular, apuntaron el Very Large Telescope (VLT) y su instrumento X-shooter a la kilonova.
El X-shooter es un espectrógrafo de múltiples longitudes de onda que observa en la luz visible Ultravioleta B (UVB) e infrarrojo cercano (NIR). Inicialmente, los datos del X-shooter sugirieron que había elementos más pesados presentes en la kilonova. Pero hasta ahora, no podían identificar elementos individuales.
"Esta es la etapa final de una persecución de décadas para precisar el origen de los elementos".
Darach Watson, autor principal, Universidad de Copenhague.
Estos nuevos resultados se presentan en un nuevo estudio titulado "Identificación del estroncio en la fusión de dos estrellas de neutrones". El autor principal es Darach Watson de la Universidad de Copenhague en Dinamarca. El artículo fue publicado en la revista. Naturaleza el 24 de octubre de 2019.
"Al volver a analizar los datos de 2017 de la fusión, ahora hemos identificado la firma de un elemento pesado en esta bola de fuego, el estroncio, lo que demuestra que la colisión de estrellas de neutrones crea este elemento en el Universo", dijo Watson en un comunicado de prensa.
La forja de los elementos químicos se llama nucleosíntesis. Los científicos lo saben desde hace décadas. Sabemos que los elementos se forman en supernovas, en las capas externas de las estrellas que envejecen y en las estrellas regulares. Pero ha habido una brecha en nuestra comprensión cuando se trata de captura de neutrones y cómo se forman los elementos más pesados. Según Watson, este descubrimiento llena ese vacío.
"Esta es la etapa final de una persecución de décadas para precisar el origen de los elementos", dice Watson. “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 sabíamos la ubicación del proceso final no descubierto, conocido como captura rápida de neutrones, que creaba los elementos más pesados en la tabla periódica ".
Hay dos tipos de captura de neutrones: rápida y lenta. Cada tipo de captura de neutrones es responsable de la creación de aproximadamente la mitad de los elementos más pesados que el hierro. La captura rápida de neutrones permite que un núcleo atómico capture los neutrones más rápido de lo que puede descomponerse, creando elementos pesados. El proceso se resolvió hace décadas, y la evidencia circunstancial apuntaba a las kilonovas como el lugar probable para que tenga lugar el rápido proceso de captura de neutrones. Pero nunca se observó en un sitio astrofísico, hasta ahora.
Las estrellas son lo suficientemente calientes como para producir muchos de los elementos. Pero solo los ambientes cálidos más extremos pueden crear elementos más pesados como el estroncio. Solo aquellos entornos, como esta kilonova, tienen suficientes neutrones libres. En una kilonova, los átomos son bombardeados constantemente por un gran número de neutrones, lo que permite que el proceso de captura rápida de neutrones cree los elementos más pesados.
"Esta es la primera vez que podemos asociar directamente el material recién creado formado a través de la captura de neutrones con una fusión de estrellas de neutrones, lo que confirma que las estrellas de neutrones están formadas por neutrones y vincula el proceso de captura rápida de neutrones tan debatido durante mucho tiempo con tales fusiones", dice Camilla Juul Hansen, del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, quien desempeñó un papel importante en el estudio.
Aunque los datos del X-shooter han existido durante un par de años, los astrónomos no estaban seguros de que estuvieran viendo estroncio en la kilonova. Pensaron que lo estaban viendo, pero no podían estar seguros de inmediato. Nuestra comprensión de las fusiones de estrellas de neutrones y kilonovas está lejos de ser completa. Hay complejidades en los espectros X-shooter de la kilonova que tuvieron que ser trabajados, específicamente cuando se trata de identificar los espectros de elementos más pesados.
“En realidad se nos ocurrió la idea de que podríamos estar viendo estroncio bastante rápido después del evento. Sin embargo, demostrar que este era 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 ", dice el investigador de la Universidad de Copenhague Jonatan Selsing, quien fue un autor clave en el documento.
Hasta ahora, la captura rápida de neutrones era muy debatida, pero nunca observada. Este trabajo llena uno de los agujeros en nuestra comprensión de la nucleosíntesis. Pero va más lejos que eso. Confirma la naturaleza de las estrellas de neutrones.
Después de que James Chadwick descubriera el neutrón en 1932, los científicos propusieron la existencia de la estrella de neutrones. En un artículo de 1934, los astrónomos Fritz Zwicky y Walter Baade presentaron la opinión de que "una supernova representa la transición de una estrella ordinaria a unaestrella neutrón, que consiste principalmente en neutrones. Tal estrella puede poseer un radio muy pequeño y una densidad extremadamente alta ".
Tres décadas después, las estrellas de neutrones se vincularon e identificaron con púlsares. Pero no había forma de demostrar que las estrellas de neutrones estaban hechas de neutrones, porque los astrónomos no podían obtener una confirmación espectroscópica.
Pero este descubrimiento, al identificar el estroncio, que solo podría haberse sintetizado bajo un flujo de neutrones extremo, demuestra que las estrellas de neutrones están hechas de neutrones. Como dicen los autores en su artículo, "La identificación aquí de un elemento que solo podría haberse sintetizado tan rápidamente bajo un flujo de neutrones extremo, proporciona la primera evidencia espectroscópica directa de que las estrellas de neutrones comprenden materia rica en neutrones".
Este es un trabajo importante. El descubrimiento ha tapado dos agujeros en nuestra comprensión del origen de los elementos. Confirma observacionalmente lo que los científicos sabían teóricamente. Y eso siempre es bueno.
Más:
- Comunicado de prensa: Primera identificación de un elemento pesado nacido de la colisión de una estrella de neutrones
- Documento de investigación: identificación del estroncio en la fusión de dos estrellas de neutrones
- Wikipedia: captura de neutrones
- Documento de 1934: Rayos cósmicos de Super-Novae
