Las fusiones de estrellas de neutrones binarias, o colisiones entre dos estrellas de neutrones, son una fuente cósmica probable de oro, platino y otros metales pesados que vemos hoy.
Es la conclusión de un estudio publicado en Astrophysical Journal Letters por investigadores del MIT y la Universidad de New Hampshire, centrado en el origen de metales pesados fruto de colisiones entre objetos cósmicos.
El estudio es el primero en comparar fusiones entre estrellas de neutrones y entre estrella de neutrones y agujero negro en términos de su producción de metales pesados. Los hallazgos también podrían ayudar a los científicos a determinar la velocidad a la que se producen los metales pesados en todo el universo.
«Lo que nos entusiasma de nuestro resultado es que, con cierto nivel de confianza, podemos decir que las estrellas binarias de neutrones son probablemente más una mina de oro que las fusiones entre estrellas de neutrones y agujeros negros», dice el autor principal Hsin-Yu Chen, un postdoctorado en el Instituto Kavli del MIT. para Astrofísica e Investigación Espacial.
A medida que las estrellas se someten a fusión nuclear, necesitan energía para fusionar protones y formar elementos más pesados. Las estrellas son eficientes para producir elementos más ligeros, desde hidrógeno hasta hierro. Sin embargo, fusionar más de los 26 protones en hierro se vuelve energéticamente ineficaz.
«Si quieres ir más allá del hierro y construir elementos más pesados como el oro y el platino, necesitas alguna otra forma de juntar los protones», dice en un comunicado el coautor Salvatore Vitale, profesor de Física en el MIT.
Los científicos han sospechado que las supernovas podrían ser una respuesta. Cuando una estrella masiva colapsa en una supernova, el hierro en su centro posiblemente podría combinarse con elementos más livianos en la lluvia extrema para generar elementos más pesados.
En 2017, sin embargo, se confirmó un candidato prometedor, en la forma de una fusión de estrellas de neutrones binarios, detectada por primera vez por LIGO y Virgo, los observatorios de ondas gravitacionales en los Estados Unidos e Italia, respectivamente. Los detectores recogieron ondas gravitacionales, u ondas a través del espacio-tiempo, que se originaron a 130 millones de años luz de la Tierra, a partir de una colisión entre dos estrellas de neutrones, núcleos colapsados de estrellas masivas, que están llenas de neutrones y se encuentran entre los objetos más densos del universo.
La fusión cósmica emitió un destello de luz, que contenía firmas de metales pesados.
«La magnitud del oro producido en la fusión fue equivalente a varias veces la masa de la Tierra», dice Chen. «Eso cambió por completo la imagen. Las matemáticas mostraron que las estrellas binarias de neutrones eran una forma más eficiente de crear elementos pesados, en comparación con las supernovas”.
Chen y sus colegas se preguntaron: ¿Cómo podrían compararse las fusiones de estrellas de neutrones con las colisiones entre una estrella de neutrones y un agujero negro? Este es otro tipo de fusión que ha sido detectado por LIGO y Virgo y que potencialmente podría ser una fábrica de metales pesados. Los científicos sospechan que, bajo ciertas condiciones, un agujero negro podría alterar una estrella de neutrones de modo que generaría chispas y arrojaría metales pesados antes de que el agujero negro se tragara por completo a la estrella.
El equipo se propuso determinar la cantidad de oro y otros metales pesados que normalmente podría producir cada tipo de fusión. Para su análisis, se centraron en las detecciones de LIGO y Virgo hasta la fecha de dos fusiones de estrellas de neutrones binarias y dos fusiones de estrellas de neutrones y agujero negro.
Los investigadores primero estimaron la masa de cada objeto en cada fusión, así como la velocidad de rotación de cada agujero negro, razonando que si un agujero negro es demasiado masivo o lento, se tragaría una estrella de neutrones antes de que tuviera la oportunidad de producir un pesado elementos. También determinaron la resistencia de cada estrella de neutrones a ser interrumpida. Cuanto más resistente sea una estrella, menos probable es que produzca elementos pesados. También estimaron la frecuencia con la que se produce una fusión en comparación con la 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 las combinaciones variables de masa, rotación, grado de interrupción y tasa de ocurrencia de los objetos.
En promedio, los investigadores encontraron que las fusiones de estrellas de neutrones binarias podrían generar de dos a 100 veces más metales pesados que las fusiones entre estrellas de neutrones y agujeros negros. Se estima que las cuatro fusiones en las que basaron su análisis se produjeron en los últimos 2.500 millones de años. Concluyen entonces que durante este período, al menos, los elementos neutros binarios produjeron más elementos pesados.
