¿De dónde sale el oro?

Las colisiones de estrellas de neutrones no crean la cantidad de elementos químicos previamente asumidos, según un nuevo análisis de la evolución de las galaxias.

La investigación también revela que los modelos actuales no pueden explicar la cantidad de oro en el cosmos, creando un misterio astronómico.

El trabajo ha producido una Tabla Periódica de nuevo cuño, que muestra los orígenes estelares de los elementos que ocurren de forma natural, desde el carbono hasta el uranio.

Todo el hidrógeno en el Universo, incluyendo cada molécula en la Tierra, fue creado por el Big Bang, que también produjo mucho helio y litio, pero no mucho más.

El resto de los elementos que se producen de manera natural están hechos por diferentes procesos nucleares que ocurren dentro de las estrellas. La masa gobierna exactamente qué elementos son forjados, pero todos son liberados en las galaxias en los momentos finales de cada estrella, de forma explosiva en el caso de las realmente grandes, o como densos flujos de salida, similares al viento solar, para las de la misma clase que el Sol.

«Podemos pensar en las estrellas como ollas a presión gigantes donde se crean nuevos elementos», explicó el coautor, el Profesor Asociado Karakas, del Centro de Excelencia ARC de Australia para toda la Astrofísica del Cielo en 3 Dimensiones (ASTRO 3D). «Las reacciones que producen estos elementos también proporcionan la energía que mantiene a las estrellas brillando durante miles de millones de años. A medida que las estrellas envejecen, producen elementos cada vez más pesados al calentarse su interior».

La mitad de los elementos que son más pesados que el hierro, como el torio y el uranio, se creía que se producían cuando las estrellas de neutrones, los superdensos restos de soles quemados, chocaban entre sí. Teorizadas durante mucho tiempo, las colisiones de estrellas de neutrones no se confirmaron hasta el 2017.

Ahora, sin embargo, un nuevo análisis de Karakas y sus colegas astrónomos Chiaki Kobayashi y Maria Lugaro revela que el papel de las estrellas de neutrones puede haber sido considerablemente sobreestimado, y que otro proceso estelar sería el responsable de la mayoría de los elementos pesados.

«Las fusiones de estrellas de neutrones no produjeron suficientes elementos pesados en los inicios de la vida del Universo, y todavía no lo hacen ahora, 14.000 millones de años después», dijo Karakas. «El Universo no los hizo lo suficientemente rápido como para explicar su presencia en estrellas muy antiguas, y, en general, no hay suficientes colisiones para explicar la abundancia de estos elementos hoy en día».

En su lugar, los investigadores encontraron que los elementos pesados necesitaban ser creados por un tipo completamente diferente de fenómeno estelar, supernovas inusuales que colapsan mientras giran muy rápido y generan fuertes campos magnéticos.

El hallazgo es uno de los varios que surgen de la investigación, que acaba de ser publicada en la revista Astrophysical Journal. Su estudio es la primera vez que se han calculado los orígenes estelares de todos los elementos naturales, desde el carbono hasta el uranio, a partir de los primeros principios.

El nuevo modelo, dicen los investigadores, cambiará sustancialmente el modelo actualmente aceptado de cómo evolucionó el universo. «Por ejemplo, construimos este nuevo modelo para explicar todos los elementos a la vez, y encontramos suficiente plata pero no suficiente oro», dijo el coautor, el Profesor Asociado Kobayashi, de la Universidad de Hertfordshire en el Reino Unido. «La plata está sobreproducida mientras que el oro está subproducido en el modelo en comparación con las observaciones. Esto significa que podríamos necesitar identificar un nuevo tipo de explosión estelar o reacción nuclear».

El estudio refina estudios anteriores que calculan los papeles relativos de la masa, edad y disposición de las estrellas en la producción de elementos.

Por ejemplo, los investigadores establecieron que las estrellas más pequeñas de unas ocho veces la masa del Sol producen carbono, nitrógeno y flúor, así como la mitad de todos los elementos más pesados que el hierro.

Las estrellas masivas de más de unas ocho veces la masa del Sol que también explotan como supernovas al final de sus vidas, producen muchos de los elementos desde el carbono hasta el hierro, incluyendo la mayor parte del oxígeno y el calcio necesarios para la vida.

«Aparte del hidrógeno, no hay un solo elemento que pueda ser formado solo por un tipo de estrella», explicó Kobayashi. «La mitad del carbono se produce a partir de estrellas moribundas de baja masa, pero la otra mitad proviene de las supernovas. Y la mitad del hierro proviene de supernovas normales de estrellas masivas, pero la otra mitad necesita otra forma, conocida como supernovas de Tipo Ia. Se producen en sistemas binarios de estrellas de baja masa».

Las parejas de estrellas masivas unidas por la gravedad, en cambio, pueden transformarse en estrellas de neutrones. Cuando estas chocan entre sí, el impacto produce algunos de los elementos más pesados que se encuentran en la naturaleza, incluyendo el oro.

En el nuevo modelo, sin embargo, los números simplemente no cuadran.

«Incluso las estimaciones más optimistas de la frecuencia de colisión de las estrellas de neutrones simplemente no pueden explicar la gran abundancia de estos elementos en el Universo», dijo Karakas. «Esto fue una sorpresa. Parece que las supernovas giratorias con fuertes campos magnéticos son la verdadera fuente de la mayoría de estos elementos».

La coautora, la Dra. Maria Lugaro, que ocupa cargos en el Observatorio Konkoly de Hungría y en la Universidad Monash de Australia, cree que el misterio del oro que falta puede resolverse muy pronto.

«Se esperan nuevos descubrimientos de instalaciones nucleares en todo el mundo, incluyendo Europa, los Estados Unidos y Japón, que actualmente apuntan a núcleos raros asociados con fusiones de estrellas de neutrones», dijo. «Se desconocen las propiedades de estos núcleos, pero controlan en gran medida la producción de las abundancias de elementos pesados. El problema astrofísico del oro que falta puede ser resuelto por un experimento de física nuclear».

Los investigadores admiten que las futuras investigaciones podrían descubrir que las colisiones de estrellas de neutrones son más frecuentes de lo que las pruebas hasta ahora sugieren, en cuyo caso su contribución a los elementos que componen todo, desde las pantallas de los teléfonos móviles hasta el combustible para los reactores nucleares, podría revisarse al alza nuevamente. (Fuente: NCYT Amazings)