Las fusiones entre dos estrellas de neutrones han producido más elementos pesados en los últimos 2.500 millones de años que las fusiones entre estrellas de neutrones y agujeros negros.
La mayoría de los elementos más ligeros que el hierro se forjan en los núcleos de las estrellas. El centro al rojo vivo de una estrella alimenta la fusión de protones, apretándolos para construir elementos progresivamente más pesados. Pero más allá del hierro, los científicos se han preguntado qué podría dar lugar al oro, el platino y el resto de los elementos pesados del universo, cuya formación requiere más energía de la que una estrella puede reunir.
Un nuevo estudio realizado por investigadores del MIT y la Universidad de New Hampshire encuentra que de dos fuentes de metales pesados sospechadas desde hace mucho tiempo, una es más una mina de oro que la otra.
Una nueva investigación sugiere que las estrellas de neutrones binarios son una fuente cósmica probable de oro, platino y otros metales pesados que vemos hoy. Crédito de la imagen: National Science Foundation / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet, editado por MIT News
El estudio, publicado en Astrophysical Journal Letters , informa que en los últimos 2.500 millones de años, se produjeron más metales pesados en fusiones de estrellas de neutrones binarias, o colisiones entre dos estrellas de neutrones, que en fusiones entre una estrella de neutrones y un agujero negro.
El estudio es el primero en comparar los dos tipos de fusiones en términos de su producción de metales pesados y sugiere que las estrellas de neutrones binarias son una fuente cósmica probable de oro, platino y otros metales pesados que vemos hoy. 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 parece emocionante de nuestro resultado es que, con cierto nivel de confianza, podemos decir que las estrellas de neutrones binarias son probablemente más una mina de oro que las fusiones de estrellas de neutrones y agujero negro”, dice el autor principal Hsin-Yu Chen, un postdoctorado en el Instituto Kavli del MIT. para Astrofísica e Investigación Espacial.
Los coautores de Chen son Salvatore Vitale, profesor asistente de física en el MIT, y Francois Foucart de la UNH.
Un flash eficiente
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 Vitale.
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 forma de fusión de estrellas de neutrones binarios, detectado 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 mundo. 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 el panorama. Las matemáticas demostraron que las estrellas de neutrones binarias eran una forma más eficiente de crear elementos pesados, en comparación con las supernovas ”.
Una mina de oro binaria
Chen y sus colegas se preguntaron: ¿Cómo se podrían comparar 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 podría ser una fábrica de metales pesados. Bajo ciertas condiciones, los científicos sospechan, un agujero negro podría romper una estrella de neutrones de tal manera 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 desarrolladas por Foucart 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. Llegan a la conclusión de que durante este período, al menos, se produjeron más elementos pesados por fusiones de estrellas de neutrones binarias que por colisiones entre estrellas de neutrones y agujeros negros.
Las escalas podrían inclinarse a favor de las fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros si los agujeros negros tuvieran giros altos y masas bajas. Sin embargo, los científicos aún no han observado este tipo de agujeros negros en las dos fusiones detectadas hasta la fecha.
Chen y sus colegas esperan que, a medida que LIGO y Virgo reanuden las observaciones el próximo año, más detecciones mejorarán las estimaciones del equipo sobre la velocidad a la que cada fusión produce elementos pesados. Estas tasas, a su vez, pueden ayudar a los científicos a determinar la edad de las galaxias distantes, basándose en la abundancia de sus diversos elementos.
“Puede usar metales pesados de la misma manera que usamos carbono para fechar restos de dinosaurios”, dice Vitale. “Debido a que todos estos fenómenos tienen diferentes tasas intrínsecas y rendimientos de elementos pesados, eso afectará la forma en que se asigna una marca de tiempo a una galaxia. Entonces, este tipo de estudio puede mejorar esos análisis “.
Escrito por Jennifer Chu
