Después del Big Bang, el universo primitivo contenía hidrógeno, helio y una pequeña 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 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 de la Universidad de Columbia en Nueva York. «Es un rompecabezas divertido que aún no está resuelto».
Patel dirigió un estudio utilizando datos archivados de 20 años de antigüedad de telescopios de la NASA y la ESA que encuentran evidencia de una fuente sorprendente de grandes cantidades de estos elementos pesados: llamaradas de estrellas de neutrones altamente magnetizadas llamadas magnetares. El estudio se publica en The Astrophysical Journal Letters.
Los autores del estudio calcularon que las explosiones de magnetares gigantes podrían representar hasta el 10% de la abundancia total de elementos más pesados que el hierro en la galaxia. Dado que los magnetares existieron relativamente temprano en la historia del universo, es posible que el primer oro se haya creado de esta manera.
«Esta es una respuesta a una de las preguntas del siglo y una solución a 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, según un comunicado de prensa de la NASA.
Una ruptura en la corteza de una estrella de neutrones altamente magnetizada, mostrada aquí en una representación artística, podría desencadenar erupciones de alta energía. Centro de vuelo espacial Goddard, NASA/C. Wissinger
Las estrellas de neutrones son los núcleos colapsados de estrellas que explotaron. Son tan densas que una sola cucharadita de material de estrella de neutrones en la Tierra pesaría mil millones de toneladas. Un magnetar es una estrella de neutrones con un campo magnético extremadamente potente.
En casos raros, los magnetares emiten enormes cantidades de radiación de alta energía cuando sufren «terremotos estelares», que, al igual que los terremotos, alteran la corteza de la estrella de neutrones. Los terremotos estelares también pueden estar asociados a potentes explosiones de radiación llamadas llamaradas magnetares gigantes, que pueden incluso afectar la atmósfera de la Tierra. Sólo se han observado tres llamaradas magnetares gigantes en la Vía Láctea y en la cercana Gran Nube de Magallanes, y siete más allá de ella.
Patel y sus colegas, incluido su supervisor Brian Metzger, profesor de la Universidad de Columbia y miembro senior del Instituto Flatiron de Nueva York, se preguntaron cómo la radiación de las erupciones gigantes podría corresponder a los elementos pesados que allí se forman. Esto podría suceder a través de un «proceso rápido» de neutrones que convierten los núcleos atómicos más ligeros en más pesados.
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Los protones determinan la identidad de un elemento 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 pero añaden masa. A veces, cuando un átomo captura un neutrón adicional, el átomo se vuelve inestable y se produce un proceso de desintegración nuclear que convierte el neutrón en un protón, haciendo avanzar al átomo en la tabla periódica. Así es como, por ejemplo, un átomo de oro puede absorber un neutrón extra y luego convertirse en mercurio.
En el entorno único de una estrella de neutrones colapsada, donde 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 resulta en la formación de un elemento mucho más pesado como el uranio.
El concepto de este artista representa un magnetar (un tipo de estrella de neutrones con un fuerte campo magnético) que pierde material en el espacio. Mostradas como finas líneas verdes, las líneas del campo magnético influyen en el movimiento del material cargado alrededor del magnetar. NASA/JPL-Caltech
Cuando los astrónomos observaron la colisión de dos estrellas de neutrones en 2017 utilizando telescopios de la NASA y el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Láser (LIGO), así como numerosos telescopios en la Tierra y en el espacio que monitorearon el descubrimiento original, confirmaron que el evento podría haber creado oro, platino y otros elementos pesados. Pero las fusiones de estrellas de neutrones ocurren demasiado tarde en la historia del universo para explicar la aparición del oro y otros elementos pesados más antiguos. Una investigación reciente de los coautores del nuevo estudio, Jakub Cechula de la Universidad Charles de Praga, Todd Thompson de la Universidad Estatal de Ohio y Metzger, ha demostrado que las explosiones de magnetares pueden calentar y expulsar material de la corteza de la estrella de neutrones a altas velocidades, lo que las convierte en una fuente potencial de
Al principio, Metzger y sus colegas pensaron que la firma de la creación y distribución de elementos pesados en el magnetar aparecería en la luz visible y ultravioleta, y publicaron sus predicciones. Pero Burns en Luisiana se preguntó si podría haber una señal de rayos gamma lo suficientemente brillante como para ser detectada. Le pidió a Metzger y Patel que lo comprobaran, y descubrieron que tal firma podía existir.
«En algún momento dijimos: ‘Bueno, deberíamos preguntar a los observadores si vieron algo'», dijo Metzger.
Burns analizó datos de rayos gamma de la última llamarada gigante, que ocurrió en diciembre de 2004. Se dio cuenta de que, si bien los científicos habían explicado el origen de la llamarada, también habían identificado una señal más pequeña del magnetar en los datos del Laboratorio Internacional de Astrofísica de Rayos Gamma (INTEGRAL) de la Agencia Espacial Europea (ESA), una misión recientemente cancelada en la que participaba la NASA. «Se notó en ese momento, pero nadie tenía idea de qué podía ser», dijo Burns.
Metzger recuerda que Burns pensó que él y Patel le estaban “gastando una broma” porque la predicción del modelo de su equipo coincidía muy de cerca con la misteriosa señal en los datos de 2004. En otras palabras, la señal de rayos gamma detectada hace más de 20 años era coherente con lo que debería parecer cuando se crean elementos pesados y luego se distribuyen en una explosión de magnetar gigante.
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Patel estaba tan emocionado que durante la siguiente semana o dos no pensé en nada más. «Era lo único en lo que podía pensar», dijo.
Los investigadores respaldaron su conclusión con datos de dos misiones de heliofísica de la NASA: el retirado RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) y el actual satélite Wind de la NASA, que también observó la llamarada magnetar gigante. Otros coautores del nuevo estudio fueron Jared Goldberg, del Instituto Flatiron.
La próxima misión COSI (Espectrómetro e Imágenes Compton) de la NASA podría continuar estos estudios. Se espera que el telescopio de rayos gamma de campo amplio COSI se lance en 2027 y estudiará fenómenos energéticos en el espacio, como estallidos de magnetares gigantes. COSI podrá identificar elementos individuales creados durante estos eventos, proporcionando un nuevo paso en la comprensión del origen de los elementos. Es uno de los muchos telescopios que pueden trabajar juntos para buscar cambios «transitorios» en el Universo.
Los investigadores también estudiarán otros datos de archivo para ver si hay algún secreto oculto en las observaciones de otras explosiones de magnetares gigantes.
«Es realmente genial pensar en cómo se crearon algunas de las cosas en mi teléfono o computadora portátil en esta explosión extrema en la historia de nuestra galaxia», dijo Patel.
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