Usando simulaciones por computadora, un equipo de investigación internacional pudo demostrar que la síntesis de elementos pesados como el oro y el uranio es típica de ciertos agujeros negros con acumulaciones de materia en órbita conocidas como discos de acreción.
En un artículo publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , los científicos explican que tales sistemas de agujeros negros son formado tanto después de la fusión de dos estrellas de neutrones masivas como durante el llamado colapso, el colapso y posterior explosión de una estrella en rotación.
La composición interna de los discos de acreción hasta ahora no se ha entendido bien, particularmente con respecto a las condiciones bajo las cuales se forma un exceso de neutrones. Un alto número de neutrones es un requisito básico para la síntesis de elementos pesados, ya que permite el rápido proceso de captura de neutrones, o proceso r. Los neutrinos casi sin masa juegan un papel clave en este proceso, ya que permiten la conversión entre protones y neutrones.
Vista seccional a través de la simulación de un disco de acreción del estudio de Oliver Just y sus colegas. (Gráfico cortesía de
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung)
“En nuestro estudio, investigamos sistemáticamente por primera vez las tasas de conversión de neutrones y protones para una gran cantidad de configuraciones de disco por medio de elaboradas simulaciones por computadora, y descubrimos que los discos son muy ricos en neutrones siempre que se cumplan ciertas condiciones. conocido”, dijo Oliver Just, autor principal del estudio e investigador de GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, en un comunicado de prensa.
“El factor decisivo es la masa total del disco. Cuanto más masivo es el disco, más a menudo se forman neutrones a partir de protones a través de la captura de electrones bajo la emisión de neutrinos y están disponibles para la síntesis de elementos pesados por medio del proceso r.
Sin embargo, si la masa del disco es demasiado alta, la reacción inversa juega un papel más importante, de modo que los neutrones recapturan más neutrinos antes de que abandonen el disco. Estos neutrones luego se vuelven a convertir en protones, lo que dificulta el proceso r”.
El estudio muestra que la masa de disco óptima para la producción prolífica de elementos pesados es de aproximadamente 0.01 a 0,1 masas solares. El resultado proporciona una fuerte evidencia de que las fusiones de estrellas de neutrones que producen discos de acreción con estas masas exactas podrían ser el punto de origen de una gran fracción de los elementos pesados. Sin embargo, aún no está claro si tales discos de acreción ocurren y con qué frecuencia en los sistemas colapsar.
Independientemente de las incertidumbres actuales, los científicos creen que sus hallazgos brindan información sobre qué elementos pesados deben estudiarse en futuros laboratorios para desentrañar el origen de los elementos pesados.
La inspiración
Los investigadores alemanes, belgas y japoneses detrás de este estudio partieron de la premisa de que todos los elementos pesados en la Tierra hoy en día se formaron en condiciones extremas en entornos astrofísicos: dentro de estrellas, en explosiones estelares y durante la colisión de estrellas de neutrones.
Como a muchos otros colegas, les intrigaba la cuestión de en cuál de estos eventos astrofísicos se dan las condiciones adecuadas para la formación de los elementos más pesados, como el oro o el uranio.
La espectacular primera observación de ondas gravitatorias y radiación electromagnética originadas por una fusión de estrellas de neutrones en 2017 sugirió que muchos elementos pesados pueden ser producidos y liberados en estas colisiones cósmicas.
Sin embargo, queda abierta la pregunta de cuándo y por qué se expulsa el material y si puede haber otros escenarios en los que se puedan producir elementos pesados.
Pero en opinión del grupo, los agujeros negros orbitados por discos de acreción de materia densa y caliente son candidatos prometedores para la producción de elementos pesados.
