Primera detección de un elemento pesado recién nacido en el espacio

A team of European researchers, using data from the X-shooter instrument on ESO’s Very Large Telescope, has found signatures of strontium formed in a neutron-star merger. This artist’s impression shows two tiny but very dense neutron stars at the point at which they merge and explode as a kilonova. In the foreground, we see a representation of freshly created strontium.

En 2017, tras la histórica detección de ondas gravitacionales que pasaban por la Tierra, el Observatorio Europeo Austral (ESO) apuntó su Very Large Telescope (VLT) y otros telescopios a la fuente: una fusión de estrellas de neutrones llamada GW170817.

Se ha identificado la firma espectroscópica del estroncio, demostrando que la colisión de estrellas de neutrones crea este elemento en el universo

Los astrónomos sospechaban que, si los elementos más pesados se formaban en colisiones de estrellas de neutrones, se podrían detectar huellas de esos elementos en kilonovas, los restos explosivos de estas fusiones. Esto es lo que ha hecho ahora un equipo de investigadores utilizando datos del instrumento X-shooter, instalado en el VLT de ESO, y los resultados los publican en la revista Nature.

Tras la fusión de GW170817, la flota de telescopios de ESO comenzó a monitorear la emergente explosión de kilonova en un amplio rango de longitudes de onda. En particular, X-shooter tomó una serie de espectros desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano. El análisis inicial de estos espectros sugirió la presencia de elementos pesados en la kilonova, pero hasta la fecha los astrónomos no habían podido identificar elementos individuales.

«Tras reanalizar los datos de la fusión de 2017 hemos identificado la firma de un elemento pesado en esta bola de fuego: el estroncio, demostrando que la colisión de estrellas de neutrones crea este elemento en el universo», afirma el autor principal del estudio, Darach Watson, de la Universidad de Copenhague (Dinamarca).

En la Tierra, el estroncio se encuentra de forma natural en el suelo y se concentra en ciertos minerales. Sus sales se utilizan para dar un color rojo brillante a los fuegos artificiales.

La pieza del rompecabezas que faltaba

Los astrónomos conocen los procesos físicos que crean los elementos desde la década de 1950. Durante las décadas siguientes han descubierto la ubicación cósmica de cada una de estas principales forjas nucleares, excepto una.

«Esta es la etapa final de una persecución de décadas para fijar el origen de los elementos», dice Watson, que añade: «Ahora sabemos que los procesos que crearon los elementos tuvieron lugar, principalmente, en estrellas ordinarias, en explosiones de supernovas o en las capas externas de estrellas viejas. Pero, hasta ahora, desconocíamos la ubicación del proceso final, conocido como captura rápida de neutrones, que creó los elementos más pesados de la tabla periódica».

La captura rápida de neutrones es un proceso en el que un núcleo atómico captura neutrones lo suficientemente rápido como para permitir la creación de elementos muy pesados. Aunque muchos elementos se producen en los núcleos de las estrellas, la creación de elementos más pesados que el hierro, como el estroncio, requiere de ambientes aún más calientes con muchos neutrones libres. La captura rápida de neutrones sólo ocurre de forma natural en ambientes extremos donde los átomos son bombardeados por un gran número de neutrones.

La detección confirma que los elementos más pesados del universo pueden formarse en fusiones de estrellas de neutrones

«Es la primera vez que podemos asociar directamente el material de nueva creación formado a través de la captura de neutrones con una fusión de estrellas de neutrones, confirmando que las estrellas de neutrones están hechas de neutrones y vinculando el proceso de captura rápida de neutrones, largamente debatido, a tales fusiones», añade Camilla Juul Hansen, del Instituto Max Planck de Astronomía, en Heidelberg, quien desempeñó un importante papel en el estudio.

Los científicos empiezan ahora a entender mejor las fusiones de estrellas de neutrones y las kilonovas. Debido a la limitada comprensión de estos nuevos fenómenos y a otras complejidades en los espectros que el instrumento X-shooter del VLT tomó de la explosión, los astrónomos no habían podido identificar elementos individuales hasta ahora.

«De hecho, muy poco después del evento, se nos ocurrió la idea de que podríamos estar viendo estroncio. Sin embargo, demostrar que esto era así resultó ser muy difícil. Esta dificultad se debió a nuestro poco conocimiento de la apariencia espectral de los elementos más pesados de la tabla periódica«, dice Jonatan Selsing, investigador de la Universidad de Copenhague, autor clave del artículo.

La fusión GW170817 fue la quinta detección de ondas gravitacionales, hecha posible gracias a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), unas instalaciones de la NSF en EE.UU, y al Interferómetro Virgo, en Italia. Ubicada en la galaxia NGC 4993, la fusión fue la primera, y hasta ahora la única fuente de ondas gravitacionales que tuvo su contraparte visible detectada por telescopios en la Tierra.

Según los investigadores, con los esfuerzos combinados de LIGO, Virgo y el VLT, tenemos la comprensión más clara hasta la fecha del funcionamiento interno de las estrellas de neutrones y sus explosivas fusiones.