Alquimia cósmica en los confines del universo observable
Los telescopios de la NASA han detectado lo que puede ser el estallido de rayos gamma más distante jamás observado, producido por dos estrellas de neutrones que se espiralan una hacia la otra y detonan en una explosión catastrófica conocida como kilonova. El evento, que ocurrió hace aproximadamente 8.500 millones de años luz de la Tierra, forjó elementos pesados incluyendo oro y platino en un destello cegador que brevemente superó en brillo a galaxias enteras.
La detección, posible gracias a observaciones coordinadas del Observatorio de rayos X Chandra, del Telescopio Espacial James Webb y de observatorios terrestres, empuja la frontera de la astronomía multimensajero y proporciona nueva evidencia sobre cómo el universo manufactura sus elementos más pesados.
De dónde viene el oro
Durante la mayor parte del siglo XX, los científicos creían que todos los elementos más pesados que el hierro eran producidos dentro de estrellas masivas y dispersados al espacio cuando esas estrellas explotaban como supernovas. Este cuadro fue completamente transformado en 2017 cuando los detectores de ondas gravitacionales LIGO y docenas de telescopios observaron una fusión de estrellas de neutrones en la galaxia NGC 4993, a tan solo 130 millones de años luz de distancia. Ese evento, designado GW170817, confirmó que las fusiones de estrellas de neutrones son fábricas prolíficas de los elementos más pesados de la tabla periódica.
La física es extraordinaria. Cuando dos estrellas de neutrones chocan, el impacto libera una enorme ráfaga de neutrones —mucho más de los que están disponibles en cualquier otro entorno astrofísico. Estos neutrones son capturados por núcleos atómicos en un proceso llamado captura rápida de neutrones, o el proceso r, construyendo elementos cada vez más pesados en fracciones de segundo. El oro, platino, uranio y muchos otros elementos pesados se ensamblan en este crisol rico en neutrones y se eyectan al espacio a fracciones significativas de la velocidad de la luz.
La kilonova recién detectada a 8.500 millones de años luz representa el mismo proceso observado a una distancia mucho mayor y mucho más atrás en la historia cósmica. Cuando la luz de esta explosión fue emitida, el universo tenía solo aproximadamente 5.000 millones de años de edad —menos de la mitad de su edad actual. Detectar elementos del proceso r en esta época les dice a los astrónomos que las fusiones de estrellas de neutrones ya estaban enriqueciendo el cosmos con elementos pesados cuando el universo era relativamente joven.
Una dirección cósmica inusual
Lo que hace esta detección particularmente intrigante es la ubicación de la kilonova. En lugar de ocurrir dentro de una única galaxia, la fusión ocurrió en una corriente de marea —una cinta de estrellas y gas arrancada de galaxias por interacciones gravitacionales durante la fusión de un grupo. Múltiples galaxias en el cúmulo están en el proceso de colisionar y fusionarse, creando corrientes complejas de escombros que se extienden a cientos de miles de años luz.
Los binarios de estrellas de neutrones —pares de estrellas de neutrones que se orbitan entre sí— pueden tardar miles de millones de años en espiralizarse lo suficientemente cerca como para fusionarse. Durante este tiempo, las interacciones gravitacionales pueden expulsar el binario completamente de su galaxia madre. Encontrar una kilonova en una corriente de marea sugiere que el par de estrellas de neutrones puede haber sido expulsado de una de las galaxias que se están fusionando y haber pasado miles de millones de años a la deriva en el espacio intergaláctico antes de finalmente colisionar.
Esto tiene implicaciones para entender cómo se distribuyen los elementos pesados en todo el cosmos. Si una fracción significativa de fusiones de estrellas de neutrones ocurren fuera de las galaxias —en corrientes de marea, halos galácticos o espacio intergaláctico— entonces los elementos pesados que producen pueden enriquecer el gas difuso entre galaxias en lugar de ser reciclados en nuevas estrellas y planetas dentro de galaxias.
Detectando las señales más débiles
Observar una kilonova a 8.500 millones de años luz requirió sensibilidad extraordinaria. El estallido de rayos gamma inicial fue detectado por el observatorio Swift de la NASA, que identificó el destello de alta energía e alertó a otros telescopios sobre la ubicación del evento. Chandra luego detectó el resplandor de rayos X, que proporcionó información de posición precisa. El Telescopio Espacial James Webb observó la emisión infrarroja característica de elementos del proceso r, cuyo decaimiento radiactivo produce un resplandor rojo distintivo que persiste durante días a semanas después de la fusión.
La firma infrarroja es el arma humeante para la producción de elementos pesados. Diferentes elementos producen diferentes características espectrales mientras sus isótopos radiactivos se desintegran, y el espectrógrafo infrarrojo sensible de JWST pudo identificar las huellas dactilares de varios elementos pesados en el brillo desvanecido de la kilonova. Esta confirmación espectroscópica es lo que distingue una kilonova de otros tipos de eventos transitorios.
Implicaciones para la química cósmica
Cada detección de kilonova ayuda a los astrónomos a construir una imagen estadística de cuánto material de elementos pesados producen las fusiones de estrellas de neutrones y con qué frecuencia estos eventos ocurren a lo largo del tiempo cósmico. Las estimaciones actuales sugieren que las fusiones de estrellas de neutrones pueden explicar la mayoría del oro, platino y otros elementos del proceso r observados en el universo, aunque alguna contribución de supernovas y otras fuentes sigue siendo posible.
La distancia récord de esta detección extiende la línea de base observacional hasta una época en la que las galaxias todavía se estaban ensamblando activamente. Entender la tasa de fusiones de estrellas de neutrones en esta época constriñe modelos de evolución binaria de estrellas, formación de estrellas de neutrones y evolución química del universo temprano.
Cada átomo de oro en la Tierra —en joyas, electrónica, bóvedas de bancos centrales— fue probablemente forjado en un evento como este, hace miles de millones de años, en los violentos últimos momentos de dos estrellas muertas colisionando a un tercio de la velocidad de la luz. Esta última detección nos recuerda que incluso los materiales más familiares tienen orígenes que son cualquier cosa menos ordinarios.
Este artículo se basa en reportajes de Universe Today. Lee el artículo original.
