Primera identificación de un elemento pesado nacido tras la colisión de dos estrellas de neutrones.

Observaciones llevadas a cabo con telescopios de ESO han detectado, por primera vez en el espacio, la formación de estroncio, un elemento utilizado en los fuegos artificiales.

Por primera vez, un elemento pesado recién hecho, el estroncio, se ha detectado en el espacio, después de una fusión de dos estrellas de neutrones. Este hallazgo fue observado por el espectrógrafo X-shooter de ESO en el Very Large Telescope (VLT) y se publica hoy en Nature. La detección confirma que los elementos más pesados ​​del Universo pueden formarse en fusiones de estrellas de neutrones, proporcionando una pieza faltante del rompecabezas de la formación de elementos químicos.
Crédito: ESO / L. Calçada/M. Kornmesser.

En 2017, tras la detección de ondas gravitacionales que pasaban por la Tierra, ESO apuntó sus telescopios en Chile, incluido el VLT, a la fuente: una fusión de estrellas de neutrones llamada GW170817. Los astrónomos sospechaban que, si los elementos más pesados se formaban en colisiones de estrellas de neutrones, se podrían detectar huellas de esos elementos en kilonovas, los restos explosivos de estas fusiones. Esto es lo que ha hecho un equipo de investigadores europeos utilizando datos del instrumento X-shooter, instalado en el VLT de ESO.

Tras la fusión de GW170817, la flota de telescopios de ESO comenzó a monitorear la emergente explosión de kilonova en un amplio rango de longitudes de onda. En particular, X-shooter tomó una serie de espectros desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano. El análisis inicial de estos espectros sugirió la presencia de elementos pesados en la kilonova, pero hasta ahora los astrónomos no habían podido identificar elementos individuales.

La impresión de este artista muestra dos pequeñas pero muy densas estrellas de neutrones fusionándose y explotando como una kilonova. Tales objetos son la fuente principal de elementos químicos muy pesados, como el oro y el platino, en el Universo. La detección de un elemento, el estroncio (Sr), ahora se ha confirmado utilizando datos del instrumento X-shooter en el Very Large Telescope de ESO.
Crédito:ESO / L. Calçada

“Tras reanalizar los datos de la fusión de 2017 hemos identificado la firma de un elemento pesado en esta bola de fuego: el estroncio, demostrando que la colisión de estrellas de neutrones crea este elemento en el universo”, afirma el autor principal del estudio, Darach Watson, de la Universidad de Copenhague (Dinamarca). En la Tierra, el estroncio se encuentra de forma natural en el suelo y se concentra en ciertos minerales. Sus sales se utilizan para dar un color rojo brillante a los fuegos artificiales.

Los astrónomos conocen los procesos físicos que crean los elementos desde la década de 1950. Durante las décadas siguientes han descubierto la ubicación cósmica de cada una de estas principales forjas nucleares, excepto una. “Esta es la etapa final de una persecución de décadas para fijar el origen de los elementos”, dice Watson. “Ahora sabemos que los procesos que crearon los elementos tuvieron lugar, principalmente, en estrellas ordinarias, en explosiones de supernovas o en las capas externas de estrellas viejas. Pero, hasta ahora, desconocíamos la ubicación del proceso final, conocido como captura rápida de neutrones, que creó los elementos más pesados de la tabla periódica“.

La captura rápida de neutrones es un proceso en el que un núcleo atómico captura neutrones lo suficientemente rápido como para permitir la creación de elementos muy pesados. Aunque muchos elementos se producen en los núcleos de las estrellas, la creación de elementos más pesados que el hierro, como el estroncio, requiere de ambientes aún más calientes con muchos neutrones libres. La captura rápida de neutrones sólo ocurre de forma natural en ambientes extremos donde los átomos son bombardeados por un gran número de neutrones.

“Es la primera vez que podemos asociar directamente el material de nueva creación formado a través de la captura de neutrones con una fusión de estrellas de neutrones, confirmando que las estrellas de neutrones están hechas de neutrones y vinculando el proceso de captura rápida de neutrones, largamente debatido, a tales fusiones”, añade Camilla Juul Hansen, del Instituto Max Planck de Astronomía, en Heidelberg, quien desempeñó un importante papel en el estudio.

Los científicos empiezan ahora a entender mejor las fusiones de estrellas de neutrones y las kilonovas. Debido a la limitada comprensión de estos nuevos fenómenos y a otras complejidades en los espectros que el instrumento X-shooter del VLT tomó de la explosión, los astrónomos no habían podido identificar elementos individuales hasta ahora.

“De hecho, muy poco después del evento, se nos ocurrió la idea de que podríamos estar viendo estroncio. Sin embargo, demostrar que esto era así resultó ser muy difícil. Esta dificultad se debió a nuestro poco conocimiento de la apariencia espectral de los elementos más pesados de la tabla periódica”, dice Jonatan Selsing, investigador de la Universidad de Copenhague, autor clave del artículo.

La fusión GW170817 fue la quinta detección de ondas gravitacionales, hecha posible gracias a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), unas instalaciones de la NSF en EE.UU, y al Interferómetro Virgo, en Italia. Ubicada en la galaxia NGC 4993, la fusión fue la primera, y hasta ahora la única fuente de ondas gravitacionales que tuvo su contraparte visible detectada por telescopios en la Tierra.

Con los esfuerzos combinados de LIGO, Virgo y el VLT, tenemos la comprensión más clara hasta la fecha del funcionamiento interno de las estrellas de neutrones y sus explosivas fusiones.

Fuente: ESO (European Southern Observatory).

Artículo original: First identification of a heavy element born from neutron star collision. ESO / eso1917 – Science Release. Oct. 23, 2019.

Material relacionado:

La detección de la primera Kilonova y la nueva era de la «Astronomía Multimensajero».

La confirmación de un nuevo tipo de transitorio de distinto origen, la primera Kilonova el 17 de Agosto de 2017, evento resultante de la fusión de dos estrellas de neutrones detectado por primera vez por LIGO y a continuación por telescopios espaciales tanto de altas energías como en el rango óptico, y luego en tierra por  telescopios ópticos y radiotelescopios, abriendo una nueva era de la Astronomía, la «Astronomía Multimensajero» sumando el campo de las Ondas Gravitacionales al de las Electromagnéticas, los neutrinos y los rayos cósmicos. El comunicado de prensa de ESO, con enlaces a los trabajos de investigación a que dio lugar el evento, es el siguiente:

EL artículo de la NASA:

NASA Missions Catch First Light from a Gravitational-Wave Event. NASA. October 16, 2017.

El artículo en nuestra página, sobre el evento:

Ver también:

Sobre la Astrofísica Multimensajero:

Multi-messenger astrophysics. Péter Mészáros, Derek B. Fox, Chad Hanna & Kohta Murase . Nature Reviews Physics volume 1, pages 585–599 (2019)

Cómo se busca la contraparte visible de un evento ya sea de fusión de agujeros negros o de estrellas de neutrones:

Lo mejor de ambos mundos: asteroides y fusiones masivas. Carlos Costa. AAA. Agosto 17, 2019.

Sobre el origen de los elementos:

Un poco de historia:

El trabajo seminal de Alpher, Bethe y Gamow sobre la formación de los elementos químicos a partir del Big Bang en un tiempo relativamente corto, aunque erróneo en cuanto a la génesis de los elementos pesados, fue el disparador de las investigaciones en ese campo y viene comentado en el siguiente artículo:

Los trabajos de Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler y Hoyle (B 2 FH para abreviar) presentaron un argumento convincente para la nucleosíntesis estelar, al igual que los de  Alastair Cameron:

Las mediciones de la cantidad de litio en el universo combinado con datos de precisión del fondo cósmico de microondas están desafiando nuestra comprensión tanto de la astrofísica estelar como posiblemente incluso de la propia nucleosíntesis del Big Bang, según lo presenta el siguiente artículo, que también hace un repaso de la historia de las ideas en este campo:

Una instructiva revisión de todo lo andado hasta 1991, lo presenta el siguiente artículo, escrito por la recientemente ganadora del Premio Andrew Gemant 2019 , un premio anual otorgado por el Instituto Americano de Física, que reconoce las contribuciones a las dimensiones culturales, artísticas y humanísticas de la Física:

The origin and abundances of the chemical elements revisited. Virginia Trimble. The Astronomy and Astrophysics Review, March 1991, Volume 3, Issue 1, pp 1–46. (Disponible en Timbó).

Artículos que introducen el tema:

Una accesible presentación introductoria sobre del origen de los elementos químicos, plena de referencias y links a sitios dedicados, se encuentra en el siguiente trabajo:

El sito de la Prof. Ines Ivans de la Universidad de Utah:

Proyectos relacionados de Ciencia Ciudadana:

Curiosidades:

La fusión de un agujero negro con una estrella de neutrones, ¿produce una contraparte electromagnética, siempre o alguna vez?

La fusión de un Agujero Negro (BH, por Black Hole)) y una estrella de neutrones (NS por Neutron Star) BH-NS puede no producir ninguna contraparte electromagnética (EM por electromagnética), ¡mucho menos una que sea lo suficientemente brillante como para observar! El BH puede simplemente tragarse todo la NS, sin el brillo revelador de la kilonova .

Entonces, ¿cuándo podemos esperar encontrar una contraparte? ¿Y estas kilonovas se verían muy diferentes de las producidas en fusiones NS binarias? Abundan las preguntas sobre la naturaleza de la emisión EM de las fusiones BH-NS. El artículo siguiente investiga las contrapartes EM de estos eventos para una gama de propiedades binarias, revelando patrones interesantes (¡y a veces sutiles!):

How to Glo up: Black Hole-Neutron Star Mergers . Sanjana Curtis. astrobites, Oct 22, 2019.

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