La fusión de dos estrellas de neutrones y la creación de los elementos mas pesado

Dos estrellas de neutrones fusionándose, como se muestra aquí giran en espiral y emiten ondas gravitacionales, pero mucho más difíciles de detectar que los agujeros negros. Crédito: Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.

El 17 de agosto de 2.017, las colaboraciones entre LIGO y Virgo hicieron posible la detección de ondas gravitacionales que pasaron por la Tierra, esta fue la quinta vez que se detectaban y se la denomino GW170817, despues de unos dos segundos de la detección, el telescopio de la ESA INTEGRAL y el telescopio Fermi de rayos gamma de la NASA observaron un pequeño brote de rayos gamma. 

A la noche siguiente del descubrimiento, los astrónomos empezaron la búsqueda para localizar la fuente y el evento. Lo encontraron en la galaxia lenticular NGC 4993, que se encuentra a unos 130 millones de años luz de la Tierra en la constelación de la Hidra.

Primera observación por el Hubble de GW170817 en la galxia lenticular NGC 4993

Más tarde, misiones espaciales de la NASA y de la ESA así como de docenas de telescopio en Tierra, capturaron el brillo difuminado del material expandiéndose por la explosión.

Esta es la primera vez que astrónomos han observado la fuente de las ondas gravitacionales, creadas por la fusión de dos estrellas de neutrones, el evento causado por las secuelas del cataclismo de este tipo de uniones, se predijo hace más de 30 años y se denominó kilonova, el cual expulsa elementos pesados como el oro y el platino hacia el espacio.

Imagen virtual de una explosión de kilonova causada por la colisión de dos estrellas de neutrones (European Southern Observatory)

Este descubrimiento también posibilita también la evidencia más fuerte hasta el momento de que los cortos brotes de rayos gamma estén causados por fusiones de estrellas neutrones.

“Esto es tremendamente emocionante. Ahora por primera vez, hemos visto luz y ondas gravitacionales producidas por el mismo evento. La detección de la fuente de ondas gravitacionales ha aportado detalles del evento que no pueden ser determinados tan solo por las ondas gravitacionales. El efecto multiplicador de muchas observaciones es increíble.” Dijo el Dr. Paul Hertz, director de la División de Astrofísica de la NASA en la sede Washington.

La idea de la fusión de las estrellas de neutrones ha estado presente por mucho tiempo, y ya que hay muchos sistemas binarios masivos de estrellas que debería explotar en supernova produciendo estrellas de neutrones, entonces, en teoría estas fusiones deberían de darse, pero no fue posible ver tal unión hasta ahora. 

De hecho, hemos observado muchos sistemas de pulsares binario, y sabemos que estos están compuestos por estrellas de neutrones, al igual que los agujeros negros giran en espiral y se fusionan, también lo deberían de hacer las estrellas de neutrones, pero hasta ahora no pudimos ver tal fusión asociado a una onda gravitacional. 

Y en efecto la onda gravitacional asociada indicó que las estrellas de neutrones giraron en espiral a velocidades de hasta un tercio de la velocidad de la luz. Colisionando y fusionándose. Formando un agujero negro.

Representación artística de dos estrellas orbitando mutuamente y acercándose (de izquierda a derecha) a su fusión, con las correspondientes ondas gravitacionales. Crédito: NASA/CXC/GSFC/T.Strohmayer.

Interesantemente, este evento cósmico nos ha mostrado delante mismo de nosotros la creación de los elementos pasados. Sabemos que los elementos más ligeros (hidrogeno, helio, deuterio, litio) fueron producidos en la Nucleosíntesis primordial del Big Bang.

Después, la fusión nuclear que se da en las estrellas convierte hidrogeno en helio, y en estrellas menos masivas que el Sol esta es la única reacción posible, sin embargo, en estrellas más masivas que el Sol de hasta 8 veces su masa vemos que ocurren más reacciones que convierten el helio en carbón y oxigeno lo que sucede en estados evolutivos sucesivos de la estrella. Esta reacción en cadena continua hasta producir elementos como la sílice y el hierro. 

Pero no se puede producir elementos más pesados que el hierro por medio de la fusión por culpa de la cantidad de energía que ha de ser suministrada para que se de dicha reacción. Sin embargo, en el Universo vemos elementos más pesados, ¿Cómo pudieron formase? La respuesta está en las supernovas. Cuando suceden estas increíbles explosiones se produce una reacción de captura neutrónica formando elementos más pesados, la otra posibilidad era la fusión de estrellas de neutrones. 

El oro que encontramos en la superficie de la Tierra viene en depósitos a modo de vetas. Crédito: ETH-Zurich

Ahora Por vez primera, tenemos la evidencia visual de que los elementos más pesados de la tabla periódica no se forman principalmente por supernovas, pero por la colisión de las estrellas de neutrones.

Duncan Brown de la Universidad de Siracusa, un experto en la astronomía de ondas gravitacionales y miembro de equipo de LIGO dijo: "Cuando observas la radiactividad, lo que estás viendo básicamente es alquimia espacial. Es el Universo creando oro y platino." 

Según Stefan Ballmer, quien ayudo a construir los detectores avanzados de LIGO, la cantidad de oro producida por esta colisión se equipará a la masa de nuestra Luna: "Si te preguntas ¿Cuánto es el valor del oro que hemos visto crearse? Seria alrededor de $10 octillones — $10,000,000,000,000,000,000,000,000,000—con el precio del Mercado de hoy dia." 

According to Stefan Ballmer, who helped build the Advanced LIGO detectors, the amount of gold produced by this one collision rivals the mass of our Moon: "If you’re wondering how much the gold we saw being made is worth? About $10 octillion— $10,000,000,000,000,000,000,000,000,000—at today’s prices."

También hemos descubierto que dichas estrellas de neutrones, hace que se formaron de entre 11-12 billones de años, y que han estado acercándose la una a la otra desde entonces. 

Fuentes: Forbes, sci-news, Cornell, Wikipedia,