¿Cómo se producen los elementos químicos en nuestro Universo? ¿De dónde vienen los elementos pesados ​​como el oro y el uranio? Usando simulaciones por computadora, un equipo de investigación de GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung en Darmstadt, junto con colegas de Bélgica y Japón, muestra que la síntesis de elementos pesados ​​es típica de ciertos agujeros negros con acumulaciones de materia en órbita, los llamados discos de acreción. La abundancia prevista de los elementos formes proporciona información sobre qué elementos pesados ​​deben estudiarse en futuros laboratorios, como la Instalación para la Investigación de Antiprotones e Iones (FAIR), que se encuentra actualmente en construcción, para desentrañar el origen de los elementos pesados. Los resultados se publican en la revista Mensual Notices of the Royal Astronomical Society .

Todos los elementos pesados ​​de 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. Los investigadores están intrigados con la pregunta en cuál de estos eventos astrofísicos existen las condiciones apropiadas para la formación de los elementos más pesados, como el oro o el uranio. La espectacular primera observación de ondas gravitacionales y radiación electromagnética que se originó a partir de una fusión de estrellas de neutrones en 2017 sugirió que se pueden producir y liberar muchos elementos pesados ​​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.

Los candidatos prometedores para la producción de elementos pesados ​​son los agujeros negros orbitados por un disco de acreción de materia densa y caliente. Tal sistema se forma 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 tales 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.

"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", explica el Dr. Oliver Just del grupo de Astrofísica Relativista de la división de investigación Teoría de GSI. "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 de la r- Sin embargo, si la masa del disco es demasiado alta, la reacción inversa juega un papel más importante, de modo que más neutrinos son recapturados por los neutrones antes de que abandonen el disco. Estos neutrones luego se convierten nuevamente en protones, lo que dificulta el proceso r. ." Como muestra el estudio, 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, actualmente no está claro si tales discos de acreción ocurren y con qué frecuencia en los sistemas colapsar.

Además de los posibles procesos de eyección de masa, el grupo de investigación dirigido por el Dr. Andreas Bauswein también está investigando las señales de luz generadas por la materia expulsada, que se utilizarán para inferir la masa y la composición de la materia expulsada en futuras observaciones de colisiones. estrellas de neutrones Un componente importante para leer correctamente estas señales de luz es el conocimiento preciso de las masas y otras propiedades de los elementos recién formados. "These data are currently insufficient. But with the next generation of accelerators, such as FAIR, it will be possible to measure them with unprecedented accuracy in the future. The well-coordinated interplay of theoretical models, experiments, and astronomical observations will enable us researchers in the coming years to test neutron star mergers as the origin of the r-process elements," predicts Bauswein.