Por primera vez, Los astrónomos han identificado un elemento químico recién formado por la fusión de dos estrellas de neutrones. El mecanismo subyacente, El llamado proceso r, también conocido como captura rápida de neutrones, se considera el origen de grandes cantidades de elementos más pesados ​​que el hierro.

Este descubrimiento arroja nueva luz sobre el misterio de los entornos en los que tiene lugar este proceso r. El equipo de astrónomos, también se incluyen científicos de FAIR y GSI, Ahora ha demostrado inequívocamente que la fusión de dos estrellas de neutrones crea las condiciones para este proceso y actúa como un reactor en el que se reproducen nuevos elementos.

El origen de elementos pesados ​​como el oro, el plomo y el uranio aún no se han aclarado por completo. Los elementos más ligeros, hidrógeno y helio, ya se formaron en cantidades significativas con el Big Bang. La fusión nuclear en los núcleos de las estrellas también es una fuente bien establecida de átomos en el rango de masa del helio al hierro.

Para la producción de átomos más pesados, los científicos sospechan de un proceso que une neutrones libres a bloques de construcción ya existentes. La variante rápida de este mecanismo es el llamado proceso r (r significa rápido) o captura rápida de neutrones. En el presente, Se están llevando a cabo investigaciones para determinar qué objetos podrían ser lugares donde tiene lugar esta reacción. Los posibles candidatos hasta ahora son un tipo raro de explosiones de supernovas y la fusión de densos remanentes estelares como estrellas de neutrones binarios.

Se forman grandes cantidades de estroncio en menos de un segundo

Un grupo internacional de astrónomos con la participación sustancial de Camilla Juul Hansen del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg ha descubierto ahora la firma del elemento estroncio, que se formó mediante el proceso r durante una fusión explosiva de dos estrellas de neutrones. Con un promedio de 88 nucleones, de los cuales 38 son protones, es más pesado que el hierro.

La profesora Almudena Arcones y el Privatdozent Andreas Bauswein también participaron en la publicación en la revista científica Nature. Además de sus actividades en el departamento de investigación de física teórica de FAIR y GSI, también están activos en la Universidad Técnica de Darmstadt y en la Universidad de Heidelberg, ambas universidades asociadas de FAIR y GSI. Proporcionaron estimaciones valiosas para la publicación. El proceso y las características del proceso r se encuentran entre las cuestiones de investigación importantes que se investigarán en la futura instalación de aceleración FAIR que se está construyendo actualmente en Darmstadt.

La fusión explosiva produjo una furiosa capa de expansión que se movía con un 20% a un 30% de la velocidad de la luz. Consiste en materia recién formada, de los cuales el estroncio solo equivale a unas cinco masas terrestres (1 masa terrestre =6 · 1024 kg). Por lo tanto, por primera vez, los investigadores proporcionan una clara evidencia de que tal colisión proporciona las condiciones para el proceso r en el que se forman los elementos pesados. Además, esta es la primera confirmación empírica de que las estrellas de neutrones están formadas por neutrones.

El proceso r es realmente rápido. Por segundo, más de 10²² neutrones fluyen a través de un área de un centímetro cuadrado. La desintegración beta transforma algunos de los neutrones acumulados en protones, emitiendo un electrón y un antineutrino cada uno. El aspecto especial de este mecanismo es que los neutrones se combinan para formar compuestos grandes más rápido de lo que los conglomerados recién formados se vuelven a romper. De este modo, incluso los elementos pesados ​​pueden crecer a partir de neutrones individuales en menos de un segundo.

La fusión de estrellas de neutrones produce ondas gravitacionales

Usando el Very Large Telescope (VLT) del European Southern Observatory (ESO), Los científicos obtuvieron espectros tras el espectacular descubrimiento de la señal de onda gravitacional GW170817 en agosto de 2017. Además de una explosión de rayos gamma, la kilonova AT2017gfo, un resplandor en la luz visible debido a procesos radiactivos, que se desvaneció a los pocos días después de un aumento brusco inicial en el brillo, ocurrió en el mismo lugar. El primer análisis de los espectros en 2017 por otro grupo de investigadores no arrojó un resultado claro sobre la composición de los productos de reacción.

La Dra. Hansen y sus colegas basaron su reevaluación en la creación de espectros sintéticos y modelando los espectros observados, que se registraron durante cuatro días a intervalos de un día cada uno. Los espectros indican un objeto con una temperatura inicial de aproximadamente 3700 K (aproximadamente 3400 ° C), que se desvaneció y se enfrió en los días siguientes. Los déficits de brillo en longitudes de onda de 350 y 850 nm son conspicuos. Son como huellas dactilares del elemento que absorbe la luz en estas partes del espectro.

Teniendo en cuenta el desplazamiento al azul de estas líneas de absorción provocado por el efecto Doppler que produce la expansión posterior al evento de fusión, el grupo de investigación calculó los espectros de un gran número de átomos utilizando tres métodos cada vez más complejos. Dado que todos estos métodos arrojaron resultados consistentes, la conclusión final es sólida. Resultó que solo el estroncio generado por el proceso r es capaz de explicar las posiciones y la fuerza de las características de absorción en los espectros.

Avances en la comprensión de la nucleosíntesis de elementos pesados

"Los resultados de este trabajo son un paso importante para descifrar la nucleosíntesis de elementos pesados ​​y sus fuentes cósmicas, "Hansen concluye." Esto sólo fue posible combinando la nueva disciplina de la astronomía de ondas gravitacionales con espectroscopía precisa de radiación electromagnética. Estos nuevos métodos brindan la esperanza de obtener más conocimientos innovadores sobre la naturaleza del proceso r ".