El oro es uno de los metales más codiciados del mundo, y su origen está íntimamente ligado a algunos de los eventos más extremos del universo. La formación de metales pesados como el oro, el torio y el uranio requiere condiciones energéticas únicas, tales como explosiones estelares o colisiones entre estrellas de neutrones. Esto significa que todos los elementos pesados de la Tierra se formaron en ambientes astrofísicos extremos hace miles de millones de años, en eventos que liberaron cantidades de energía colosales.
Hoy en día, los astrofísicos aún no comprenden completamente los mecanismos exactos de cómo se crean elementos más pesados que el hierro. Aunque se sabe que fenómenos como las supernovas y las fusiones de estrellas de neutrones contribuyen a esta «fábrica de elementos pesados», los investigadores siguen explorando en cuáles de estos eventos las condiciones son realmente óptimas para la formación de elementos como el oro. Sorprendentemente, un nuevo estudio sugiere que estos elementos también podrían formarse en los discos de acreción que rodean a los agujeros negros.
Un disco de acreción es la estructura de gas y polvo que se arremolina alrededor de un agujero negro en formación, creando un caos denso y caliente que libera enormes cantidades de energía. Este entorno permite que los protones se conviertan en neutrones debido a la emisión de neutrinos, generando un exceso de neutrones que facilita el proceso r (o proceso de captura rápida de neutrones), esencial para la creación de elementos pesados.
“En nuestro estudio, analizamos sistemáticamente por primera vez las tasas de conversión de neutrones y protones en múltiples configuraciones de discos mediante simulaciones computacionales avanzadas”, explica el Dr. Oliver Just, del grupo de Astrofísica Relativista en el GSI. “Descubrimos que, siempre que se cumplan ciertas condiciones, estos discos son muy ricos en neutrones, lo cual es clave para la síntesis de elementos pesados mediante el proceso r”.
Según Just, el factor más determinante para esta producción de neutrones es la masa total del disco de acreción. “Cuanto más masivo sea el disco, más neutrones se producen a partir de protones a través de la captura de electrones y emisión de neutrinos. Estos neutrones, a su vez, pueden participar en el proceso r, formando elementos pesados”. No obstante, cuando la masa del disco es excesivamente alta, ocurre una reacción inversa en la que los neutrinos son recapturados antes de abandonar el disco. Esto reduce la cantidad de neutrones disponibles para el proceso r, lo cual limita la producción de elementos pesados.
El estudio sugiere que la masa óptima del disco de acreción para convertirse en una “fábrica” de elementos pesados es de entre 0,01 y 0,1 masas solares. Sin embargo, aún no se sabe con certeza cuán comunes son estos discos en los sistemas de colapso de agujeros negros, ni con qué frecuencia ocurren. Esto significa que, aunque el modelo es prometedor, la investigación no es aún concluyente.
“Todavía hay mucha información que desconocemos. Sin embargo, con la próxima generación de aceleradores, como la Instalación para la Investigación de Antiprotones e Iones (FAIR), podremos realizar mediciones con una precisión sin precedentes”, comentó Andreas Bauswein, astrofísico en el Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados del GSI.
Es bien sabido que muchos elementos ligeros se producen en el interior de las estrellas, pero cuando se trata de elementos más pesados que el hierro, es necesario recurrir a eventos realmente catastróficos, como los que ocurren durante el nacimiento de un agujero negro. Sin embargo, los científicos aún investigan si en estos eventos se dan realmente las condiciones óptimas para la creación de elementos pesados y cuál es su contribución a la composición general del universo.
Este trabajo pionero, que combina simulaciones astrofísicas avanzadas y modelos computacionales complejos, representa un hito en la comprensión de los orígenes de elementos pesados en el cosmos. Aunque estos materiales preciosos nos parecen comunes hoy en día, su existencia está marcada por un linaje de explosiones cósmicas y colapsos estelares en donde incluso los enigmáticos agujeros negros desempeñan un papel crucial en el ciclo de vida de los elementos en el universo.
Nota de actualización: Este artículo ha sido actualizado para incluir los últimos hallazgos sobre la formación de elementos pesados en discos de acreción de agujeros negros, proporcionando una comprensión más detallada de los procesos astrofísicos implicados en la síntesis de metales como el oro. Actualizado el 14 de noviembre de 2024, a las 19:37 CLST.
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