Cómo fue el descubrimiento de oro en el espacio que realizó el telescopio espacial James Webb

El poderoso observatorio de la NASA confirmó cómo los poderosos eventos de fusión de estrellas de neutrones generan elementos más pesados que el hierro, como la plata y el metal dorado

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Impresión artística de una kilonova: dos estrellas de neutrones en el momento de su fusión (DANA BERRY SKYWORKS DIGITAL)
Impresión artística de una kilonova: dos estrellas de neutrones en el momento de su fusión (DANA BERRY SKYWORKS DIGITAL)

Si bien no todo lo que reluce es oro, el Telescopio Espacial James Webb, si pudo determinar la existencia de este material en las entrañas del cosmos.

“Esta es la primera vez que hemos podido comprobar que metales más pesados que el hierro y la plata estaban recién fabricados delante de nosotros, como el oro”, explicó la astrofísica Eleonora Troja, de la Universidad de Roma que formó parte de un estudio científico para demostrarlo.

Troja y los científicos que la acompañaron en la investigación, han analizado una explosión inusualmente larga de radiación de alta energía, conocida como explosión de rayos gamma (GRB), y han determinado que se originó a partir de la colisión de dos estrellas de neutrones ultradensas. Y, lo que es más importante, este resultado ayudó al equipo a observar un destello de luz que emana del mismo evento y que confirma que estas fusiones son los sitios que crean elementos como el oro.

El colapso estelar transforma el núcleo del sol, aplastando electrones y protones en un mar de neutrones fluidos (W. M. KECK OBSERVATORY/ADAM MAKARENKO)
El colapso estelar transforma el núcleo del sol, aplastando electrones y protones en un mar de neutrones fluidos (W. M. KECK OBSERVATORY/ADAM MAKARENKO)

Las observaciones, realizadas utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) y el Telescopio Espacial Hubble, permitieron a los científicos ver oro y elementos pesados forjados, lo que podría ayudarnos a comprender mejor cómo estos poderosos eventos de fusión de estrellas de neutrones generan los únicos entornos turbulentos del universo suficiente para crear elementos más pesados que el hierro, como la plata y el oro, lo que da como resultado un destello de luz llamado kilonova.

Fue emocionante estudiar una kilonova como nunca antes habíamos visto usando los poderosos ojos del Hubble y el JWST”, resaltó Troja, que precisó que los GRB son las explosiones de energía más poderosas del universo conocido y se han asociado antes con fusiones de estrellas de neutrones. Pero este descubrimiento es completamente diferente, aseguran los expertos.

Los científicos precisaron que estos fenómenos se pueden dividir en dos grupos. Por un lado, están los GRB largos que duran más de 2 segundos y, por otro, los GRB cortos que duran menos de 2 segundos. Si bien las fusiones de estrellas de neutrones se han asociado con GRB cortos, se creía que los GRB largos ocurrían como resultado del colapso de estrellas masivas y no de tales colisiones.

Mina de oro cósmica

Observaciones del Telescopio Espacial James Webb de una fusión de estrellas (NASA)
Observaciones del Telescopio Espacial James Webb de una fusión de estrellas (NASA)

Las estrellas son como hornos estelares que forjan los elementos de la tabla periódica, comenzando con la fusión nuclear de hidrógeno con helio en sus núcleos y continuando con la fusión del helio con elementos más pesados como nitrógeno, oxígeno y carbono.

Las más masivas, entre 7 y 8 veces más que nuestro Sol, pueden forjar elementos en sus corazones hasta convertirlos en hierro. Una vez que el núcleo estelar se llena con este elemento, cesa la fusión. Esto también corta la línea de energía exterior que había estado sosteniendo a la estrella contra su propia gravedad durante millones, o a veces miles de millones, de años.

Luego, los núcleos de estas estrellas masivas colapsan bajo esta gravedad aplastante, arrastrando sus capas externas en explosiones de supernova. Este colapso transforma el núcleo estelar, aplastando electrones y protones en un mar de neutrones fluidos, partículas que se encuentran en los núcleos atómicos y que muy rara vez existen “libremente”.

Los estudios en el super telescopio pudieron confirmar la presencia de la formación de oro en le espacio (EFE)
Los estudios en el super telescopio pudieron confirmar la presencia de la formación de oro en le espacio (EFE)

Sin embargo, en este mar, un principio cuántico llamado presión de degeneración de neutrones impide que los neutrones se acerquen entre sí, que puede superarse con suficiente masa para crear un agujero negro. Pero en algún momento no hay suficiente masa para que aparezca un agujero negro.

Esos núcleos estelares muertos sin la masa para superar la presión de degeneración quedan como cuerpos de 20 kilómetros (12 millas) de ancho con masas entre una y dos veces la del sol. Sin embargo, hay una manera en que las estrellas de neutrones pueden aportar elementos más pesados que el hierro al universo.

Algunos atraviesan el cosmos en sistemas binarios de estrellas de neutrones, lo que significa que tienen otra estrella de neutrones en sus garras gravitacionales. A medida que estas estrellas muertas orbitan entre sí, hacen que la estructura del espacio resuene con ondas llamadas ondas gravitacionales que gradualmente alejan el momento angular del sistema.

Colisión de dos estrellas de neutrones que muestran las emisiones de ondas electromagnéticas y gravitacionales durante el proceso de fusión.
(TIM DIETRICH)
Colisión de dos estrellas de neutrones que muestran las emisiones de ondas electromagnéticas y gravitacionales durante el proceso de fusión. (TIM DIETRICH)

Esto hace que las estrellas de neutrones formen espirales juntas, emitiendo ondas gravitacionales más rápido a medida que pasa el tiempo y “filtrando” más momento angular en tándem. Al final, los dos chocan y se fusionan. Esta colisión crea un estallido de rayos gamma y envía una pulverización de material rico en neutrones que ayuda a crear los elementos más pesados de la tabla periódica.

Otros núcleos atómicos alrededor de estas colisiones capturan los neutrones libres a través del proceso de captura rápida de neutrones, o proceso r, y se convierten en elementos superpesados de vida breve llamados “lantánidos”.

Luego, esos lantánidos se descomponen rápidamente en elementos más ligeros (aunque elementos aún más pesados que el plomo). Esta desintegración provoca la emisión de radiación, la luz que vemos desde la Tierra como una “kilonova”. Por tanto, seguir la evolución de las kilonovas puede ayudar a seguir la creación de elementos como el oro y la plata.

Kilonova vista por el James Webb (NASA)
Kilonova vista por el James Webb (NASA)

“Durante los primeros días, el comportamiento de una kilonova no se ve afectado por su composición química. Se necesitan semanas para revelar qué metales se forjan en la explosión, y nunca tuvimos la oportunidad de contemplar una kilonova durante tanto tiempo”, indicó Troja y añadió que estas limitaciones habían obstaculizado a los científicos que intentaban comprender mejor las kilonovas y los procesos que las crean.

Sin embargo, en el caso de AT2017gfo, la sensibilidad y la cobertura multicolor de las observaciones del JWST y el Hubble permitieron a Yang y sus colegas observar la luminosidad de esta kilonova en momentos tardíos.

Esto confirmó que las fusiones de estrellas de neutrones forjan elementos más pesados que el oro, e incluso confirma que los GRB largos pueden provenir de fusiones de estrellas de neutrones. Se cree que no ha resuelto el misterio de por qué esta fusión de estrellas de neutrones en particular lanzó un GRB tan inusualmente largo.