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Tapa

La fuente de oro y la regla del universo

El choque de astros produce elementos químicos pesados y permite medir la tasa de expansión del cosmos

Un dibujo de la kilonova observada el 17 de agosto que emitió al espacio una nube de materia cuya masa es similar a 21.500 planetas como la Tierra

NASA

La colisión de estrellas de neutrones registrada el 17 de agosto concluyó con una explosión denominada kilonova. El evento arrojó al espacio una cantidad colosal de materia incandescente que brilló durante días. Ciertos cambios en el brillo y la tonalidad de la kilonova aportaron las evidencias más firmes de que la materia y la energía liberadas en los choques de estrellas de neutrones producen buena parte de los elementos químicos más pesados del universo. No se conoce con certeza cuáles fueron los elementos generados ni qué cantidad de ellos se formaron durante la explosión, pero es casi seguro que hubo una gran producción de uranio, oro y otros metales raros, tales como el platino.

“El estudio de la radiación emitida por la macronova hará posible hacerse una idea de cuáles elementos se sintetizaron”, comenta el físico nuclear Valdir Guimarães, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP). Guimarães no participó en las observaciones, pero estuvo atento a la publicación de los resultados. “Algunos trabajos sugieren que ese evento habría producido una cantidad de oro igual a la masa de la Tierra”. Además de oro y platino, se estima que se habrían formado otros 60 elementos que figuran en la tabla periódica y, sumados, corresponden a menos del 1% de la materia visible de todo el universo.

“Ese evento aportó un indicio muy fuerte que apunta que una parte muy importante de los elementos químicos pesados presentes en la naturaleza se producen en las explosiones del tipo de la kilonova”, comenta el astrofísico brasileño Vinicius Placco, docente de la Universidad de Notre Dame, en Estados Unidos. Placco estudia la abundancia de elementos químicos en estrellas pobres en metales de la Vía Láctea y compara esos modelos con predicciones teóricas para un fenómeno más energético denominado supernova, el colapso explosivo de estrellas cuya masa es decenas de veces superior a la del Sol, y que también produce elementos pesados. Junto a otros brasileños, el científico integró el grupo que observó la kilonova de agosto con el telescopio T 80 Sul, instalado en Chile. Y explica por qué aún no es posible conocer todo lo que se produjo durante ese evento. “Como el brillo en el rango de la luz visible se reduce 360 veces en 10 días, resulta difícil realizar mediciones minuciosas de la abundancia de elementos químicos que se formaron”, comenta. “Habrá que estudiar otros eventos similares para poder efectuar estimaciones”.

Como 21.500 Tierras
La kilonova del 17 de agosto no fue la primera que se descubrió. En 2013, el equipo científico del astrofísico Nial Tanvir, de la Universidad de Leicester, en el Reino Unido, había registrado otra con los telescopios espaciales Swift y Hubble. Pero el brillo era débil y no había información al respecto de la causa de la explosión, si ese choque había sido de dos estrellas de neutrones o de una estrella de neutrones con un agujero negro. En tanto, el evento registrado en agosto es uno de los mejor documentados por la astronomía en los últimos años. Su estela luminosa quedó registrada en todas las bandas del espectro electromagnético y el análisis de las ondas gravitacionales que emitió durante la fusión final de ambas estrellas permitió saber que una de ellas tenía una masa un 30% y la otra, un 60% superior a la del Sol.

El anuncio de la detección de la kilonova se produjo el 16 de octubre y en los días subsiguientes una andanada de artículos científicos describió el fenómeno. Luego de dos semanas, científicos de cuatro universidades estadounidenses apuntalaron la primera síntesis de las observaciones de la kilonova y la dejaron a disposición para su consulta en los ArXiv, un repositorio de artículos científicos. Mediciones efectuadas por 38 telescopios durante el lapso de un mes sugieren que la colisión de las estrellas lanzó al espacio una nube de materia correspondiente a la masa de 21.500 planetas del tamaño de la Tierra.

La energía liberada en la explosión produjo toda una gama de elementos químicos pesados

Como consecuencia de esa explosión, nació un agujero negro, un objeto oscuro y extremadamente denso, del cual ni la luz escapa. La energía liberada por la colisión produjo en menos de un segundo toda una gama de elementos químicos pesados al presionar a las partículas sin carga eléctrica (neutrones) liberadas por las estrellas contra los núcleos de elementos químicos más livianos lanzados al espacio durante la explosión. Ese mecanismo, la captura de neutrones rápidos o proceso R produce elementos tan pesados como el uranio, por ejemplo, que posee en su núcleo 92 protones (partículas con carga eléctrica positiva) y 146 neutrones. Pueden surgir elementos químicos más pesados, pero son inestables y se desintegran rápidamente, liberando otras partículas y energía bajo la forma de radiación electromagnética, especialmente rayos gama, una luz invisible para el ojo humano.

La energía emitida por la conversión de elementos pesados e inestables en otros más livianos y estables provoca cambios en el color de la kilonova. En los primeros días, los telescopios captaron una luz azulada, producida por una nube de materia cuya masa sumaba la de 5.300 Tierras, con abundancia de elementos más livianos que el lantano (57 protones y 139 neutrones), alejándose del punto de colisión a 81 mil kilómetros por segundo, según refiere el artículo remitido para su publicación a la revista Astrophysical Journal Letter. A medida que ese material se expandía y se enfriaba, la región central de la kilonova adquirió en primera instancia una tonalidad púrpura y luego, rojiza. “El cambio de tonalidad ocurre como consecuencia del decaimiento radiactivo de los elementos químicos más pesados, con mayor masa que el lantano, concentrados en una zona de la nube de materia que se desplazaba con mayor lentitud”, explica Placco.

Se estima que la colisión de estrellas de neutrones es algo raro en el universo, y sobrevendría una cada millón de años en nuestra galaxia. Sin embargo, los astrofísicos contemplan que con el aumento de la sensibilidad de los observatorios Ligo y Virgo, la detección de esa clase de eventos se torne más frecuente. Ésta es una perspectiva alentadora para los astrofísicos y los cosmólogos. Sucede que la observación conjunta de las ondas gravitacionales y la que produce la colisión de estrellas de neutrones podría ayudar a zanjar una controversia de la cosmología: el conocimiento del valor de la constante de Hubble, una cifra que indica la tasa de expansión del universo y, consecuentemente, su edad y su composición.

Cuanto más lejos, más rápido
A partir de las mediciones efectuadas por el astrónomo estadounidense Edwin Hubble, que en 1929 confirmaron que el universo se expandía, varios grupos de investigación intentan calcular con precisión a qué ritmo lo hace, algo que aumenta con la distancia. El propio Hubble habría calculado que la velocidad con la que se apartan los objetos celestes unos de otros aumentaba 500 kilómetros por segundo con cada megapársec (3,26 millones de años luz). Hoy en día se sabe que esa cifra, medida según métodos diferentes, es bastante menor.

Uno de los métodos consiste en calcular las distancias a partir de la luminosidad de las cefeidas, ciertas estrellas que pulsan con regularidad y su brillo es muy conocido. Con esta técnica, se obtiene para la constante un valor de 73 kilómetros por segundo por megapársec. Pero surgen problemas. “La técnica de las cefeidas exige la calibración del brillo de esas estrellas”, explica el astrofísico Luis Raul Abramo, docente del IF-USP. “Dicha calibración es empírica, pese a que los modelos del interior de esas estrellas sean bastante sofisticados”.

La otra forma de calcular el valor de la constante es utilizando las mediciones de la radiación cósmica de fondo efectuadas por los satélites terrestres en órbita, una forma de luz invisible (en el rango de las microondas) que atravesó el universo 380 mil años después del Big Bang. En aquella época, cuando el Cosmos era más denso, esa luz se hallaba distribuida según cierto modelo. Al conocer cómo variaron la densidad y la geometría de ese modelo, los físicos calculan la constante de Hubble y arriban a un resultado de 67 kilómetros por segundo por megapársec. Esta forma también es indirecta y puede generar variaciones, ya que depende del modelo empleado para explicar el universo, y lo más aceptado es que el mismo sea plano, conformado por materia común, materia oscura y energía oscura, y que se encuentre en expansión acelerada.

La diferencia entre los dos valores para la constante de Hubble es pequeña (un 10%), pero incomoda a los cosmólogos. “O las mediciones efectuadas con las cefeidas deben corregirse, o bien existen problemas con el modelo cosmológico más aceptado, algo que tendría consecuencias teóricas importantes para la cosmología”, sostiene el astrofísico Jailson Alcaniz, del Observatorio Nacional, en Río de Janeiro.

Se espera que esa polémica se resuelva con nuevas mediciones de distancias por medio de las ondas gravitacionales emitidas en las colisiones de estrellas de neutrones. La medición tomada en agosto apuntó un valor intermedio para la constante: 70 kilómetros por segundo por megapársec, según se consigna en un artículo publicado en la revista Nature. La imprecisión, en este caso, aún es grande. “Las ondas gravitacionales permiten realizar una medición más directa de esas grandes distancias, que, en el caso de las estrellas de neutrones, pueden asociarse al análisis de la luz para verificar la velocidad de alejamiento”, comenta Abramo. “En mi opinión, este dilema será resuelto a partir de nuevas observaciones de ondas gravitacionales”.

Artículos científicos
ASHLEY VILLAR, V. et al. The complete ultraviolet, optical, and near-infrared light curves of the kilonova associated with the binary neutron star merger GW170817: Homogenized data set, analytic models, and physical implications. ArXiv. Online. 31 oct. 2017 (remitido para su publicación a la revista The Astrophysical Journal Letters).
THE LIGO SCIENTIFIC COLLABORATION AND THE VIRGO COLLA­BORATION. et al. A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant. Nature. v. 551, p. 85-8. 2 nov. 2017. Online. 16 oct. 2017.

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