Los orígenes cósmicos de los elementos más pesados que el hierro son un misterio. Ahora un modelo por computadora ha demostrado que la fuente más probable de estos elementos son las colisiones entre estrellas de neutrones. El estudio fue publicado en The Astrophysical Journal Letters.
Los mecanismos de formación de los elementos químicos que componen el Universo difieren significativamente. Los núcleos de hidrógeno y helio se formaron en los primeros minutos después del Big Bang. El litio, el berilio y el boro son todos producidos por el bombardeo del medio interestelar con rayos cósmicos de alta energía.
Los elementos del carbono al níquel son productos de reacciones de fusión en los núcleos de las estrellas. Los humanos hemos obtenido elementos con un número de masa mayor a 94. Algunos de ellos también son inestables y casi nunca ocurren en la naturaleza.
Estrellas de neutrones
Durante mucho tiempo, las explosiones de supernovas se consideraron la principal fuente de los elementos restantes. Sin embargo, el modelado de estos fenómenos mostró que la frecuencia de estas explosiones es demasiado baja para ser la fuente de todos los elementos pesados de origen natural.
Por lo tanto, los físicos asumieron que la mayoría de estos elementos pueden nacer en la colisión de estrellas de neutrones. No obstante, más adelante los astrofísicos sugirieron que podrían formarse elementos aún más pesados cuando las estrellas de neutrones chocan con los agujeros negros.
En la década pasada, se realizaron una serie de cálculos para colisiones de agujeros negros y estrellas de neutrones en un rango de masa estrecho. Los resultados confirmaron que estos explosivos fenómenos pueden contribuir a la producción de elementos pesados, comparable a la contribución de las colisiones de dos estrellas de neutrones.
El estudio
Para comprobar la fuente principal de los elementos pesados, un equipo de físicos liderados por Hsin-Yu Chen del MIT realizó simulaciones por computadora. Replicaron los procesos que ocurren en ambos tipos de colisiones con una distribución realista de agujeros negros y estrellas de neutrones en términos de masas.
Los autores simularon 600.000 colisiones de estrellas de neutrones entre sí y con agujeros negros para varios valores de las masas de los objetos. De igual forma midieron las magnitudes y direcciones de sus momentos angulares. Utilizaron varias versiones diferentes de la ecuación de estado de la materia para una estrella de neutrones.
Actualmente es imposible derivar esta ecuación de los primeros principios de la cromodinámica cuántica debido a las dificultades para describir cuantitativamente los sistemas que interactúan. Por eso, los científicos se ven obligados a hacer suposiciones sobre su forma, consistentes con las observaciones astronómicas de estrellas de neutrones.
Después de analizar los resultados de la simulación, concluyeron que la proporción más probable de elementos pesados nacidos en colisiones de estrellas de neutrones entre sí es de aproximadamente el 70%, aunque todavía existe una considerable incertidumbre.
El número de elementos nacidos en una colisión depende sustancialmente de la ecuación de estado de la materia utilizada de una estrella de neutrones, pero también depende del número de estrellas de neutrones y agujeros negros con ciertos valores de masa y momento angular en el Universo. Lamentablemente, por ahora este número no se conoce con exactitud.
