El oro y el uranio provienen de colisiones de estrellas de neutrones

Los átomos en nuestro cuerpo tienen todos ellos un origen astronómico, desde el Big Bang a los rayos cósmicos, pasando por la colisión de estrellas de neutrones

Cada uno de los átomos de nuestro cuerpo y de los objetos que usamos a diario tiene un origen diferente. Algunos se formaron durante los primeros instantes del universo, otros en el interior de estrellas que murieron hace mucho tiempo, aún otros durante la explosiva colisión de un par de estrellas de neutrones o durante la fisión nuclear de otros elementos más pesados. Los diferentes procesos capaces de crear núcleos atómicos nuevos reciben el nombre de nucleosíntesis.

Todo el Hidrógeno y la grandísima mayoría del Helio presentes hoy en el universo, y por tanto en la Tierra, se formaron durante los primeros 20 minutos de vida del universo. Tras el Big Bang, el plasma de quarks y gluones que lo llenaba todo fue enfriándose y de este se formaron los primeros protones y neutrones (que están formados por los quarks más ligeros, llamados u y d). En principio se formó una cantidad similar de ambos nucleones, pues tienen una masa muy similar, pero al ser el neutrón inestable, pronto hubo más protones que neutrones. Mientras esto sucedía, algunos de esos protones y neutrones se fusionaron y dieron lugar a núcleos atómicos más pesados que el de Hidrógeno, que consiste en un solo protón. La mayoría de neutrones que no se habían desintegrado acabaron formando núcleos de Helio (con 2 protones y 2 neutrones), mientras que una pequeñísima parte (menos del 1%) acabaron en núcleos de Litio (3p y 3 ó 4n) y Deuterio (1p y 1n, también llamado Hidrógeno pesado). Esto resultó en una composición aproximada de un 75% de Hidrógeno, un 24% de Helio y un 1% del resto de elementos.

Tras estos primeros minutos el universo se enfrió demasiado como para que siguieran produciéndose estos procesos de fusión nuclear y la composición del universo quedó paralizada hasta la llegada de las primeras estrellas. Estas han sido responsables, a través de varios procesos diferentes, de la producción de cualquier elemento químico más pesado que el Litio). El Carbono de las moléculas orgánicas, el Oxígeno que respiramos, el Hierro de nuestro acero, el Sodio de la sal o el Uranio que usamos para producir energía tienen su origen en las estrellas. Bueno, casi todos, porque que sepamos, el boro y el berilio sólo se forman en la actualidad en procesos de espalación (o astillamiento, si tradujéramos el origen de la palabra, spall, al castellano) por la colisión de rayos cósmicos con los gases de la atmósfera.

Desde la aparición de las primeras estrellas estas han estado creando nuevos metales (como se llama en astrofísica a cualquier elemento más pesado que el Helio). Sin embargo este proceso es tan relativamente lento que la composición del universo sigue prácticamente igual, habiendo aumentado la proporción de metales de un 1% a un 2% solamente.

Elementos con el Oxígeno, Carbono o Neon se crean en (relativamente) grandes cantidades en el interior de las estrellas, pero permanecen en estas durante miles de millones de años. Los elementos entre el Oxígeno y el Rubidio (unos 30 elementos diferentes), al menos los núcleos de estos elementos que consiguen escapar de sus estrellas, tienen su origen en las explosiones estelares. Supernovas, pero también en procesos como el que le ocurrirá al Sol dentro de unos 5000 millones de años, en el que expulsará sus capas exteriores antes de convertirse en una enana blanca.

Normalmente durante la fusión nuclear que tiene lugar en el interior de las estrellas y que las hace brillar, no pueden formarse elementos más pesados que el hierro o el niquel (este último no se forma por fusión nuclear, sino por captura rápida de neutrones), pues al producirse elementos más pesados que el hierro empieza a perderse energía en vez de ganarla, desestabilizando rápidamente a la estrella. Sin embargo durante una explosión de supernova (que puede tener varios orígenes diferentes) la energía liberada es tal, que pueden formarse grandes cantidades de elementos como Cobre, Zinc o Arsénico.

Hasta hace apenas unos años, creíamos que elementos todavía más pesados, como el Iridio, el Oro o el Uranio debían formarse durante estas explosiones. Sin embargo estos elementos tienen una gran proporción de neutrones, que resulta difícil encontrar durante una supernova. Un proceso que, por definición, tiene abundancia sobrada de neutrones es la colisión de dos estrellas de neutrones. Se había sospechado que durante estas colisiones podrían formarse estos elementos más pesados pero no fue hasta 2017 (Abbott et al, 2017) que se obtuvieron evidencias observacionales de esto mismo.

Por estos descubrimientos ahora pensamos que la gran mayoría de elementos más pesados que el Rubidio se forman así. Un estudio publicado en 2021 (Hsin-Yu Chen et al, 2021) compara las contribuciones a la formación de estos elementos tanto de la colisión de estrellas de nutrones como de una estrella de nutrones y un agujero negro. La conclusión es que la colisión del par de estrellas de neutrones sería la fuente principal de éstos. Por tanto, si tienes cualquier joya que contenga algo de Plata, Oro o Platino, una bombilla incandescente con filamento de Wolframio o alguna pieza metálica que contenga Plomo, tal vez te interese saber que, muy probablemente, esos núcleo atómicos fueron forjados durante la colisión de dos estrellas de neutrones a años luz de aquí.

 

REFERENCIAS:

Abbott et al, 2017, Estimating the Contribution of Dynamical Ejecta in the Kilonova Associated with GW170817, The Astrophysical Journal Letters, 850 (2), https://doi.org/10.3847/2041-8213/aa9478
 
Hsin-Yu Chen et al, 2021, The Relative Contribution to Heavy Metals Production from Binary Neutron Star Mergers and Neutron Star–Black Hole Mergers, The Astrophysical Journal Letters, 920 (1), https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac26c6
José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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