La comprensión del origen de los elementos pesados en la tabla periódica representa uno de los desafíos más complejos de la física contemporánea. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Los Álamos ha propuesto una nueva teoría que sugiere que las condiciones necesarias para la formación de estos elementos pueden encontrarse en los jets de rayos gamma y el material circundante que emergen de las estrellas en colapso.
Según un artículo publicado en The Astrophysical Journal, se ha planteado que los fotones de alta energía generados en el interior del jet podrían disolver las capas externas de una estrella en neutrones, lo que desencadenaría una serie de procesos físicos que resultarían en la creación de elementos pesados. Matthew Mumpower, físico del Laboratorio Nacional de Los Álamos, afirma que «la creación de elementos pesados como el uranio y el plutonio requiere condiciones extremas». Estas condiciones se dan en escenarios raros en el cosmos, donde es crucial la existencia de una gran cantidad de neutrones. La propuesta de este nuevo fenómeno sugiere que esos neutrones no preexisten, sino que son producidos dinámicamente dentro de la estrella.
Los neutrones libres, que tienen una vida media de aproximadamente 15 minutos, limitan las situaciones en las que pueden estar disponibles en la abundancia requerida para la formación de elementos pesados. El proceso de captura rápida de neutrones, conocido como «r process», es fundamental para la producción de todos los isótopos de torio, uranio y plutonio que se encuentran de forma natural en el universo. La investigación del equipo aborda los complejos desafíos físicos asociados con este proceso y propone reacciones y mecanismos relacionados con los colapsos estelares que podrían llevar a la formación de elementos pesados.
Un fenómeno dinámico
En el escenario propuesto por Mumpower, una estrella masiva comienza a morir a medida que se agota su combustible nuclear. Al no poder contrarrestar su propia gravedad, se forma un agujero negro en su núcleo. Si este agujero negro gira lo suficientemente rápido, los efectos de arrastre del marco debido a la intensa gravedad generan un campo magnético que lanza un potente jet. Este jet atraviesa la estrella, creando una especie de «cocoon» de material caliente a su alrededor, similar a un tren de mercancías abriendo camino a través de la nieve, según la descripción de Mumpower.
En la interfaz del jet con el material estelar, los fotones de alta energía pueden interactuar con los núcleos atómicos, transmutando protones en neutrones. También es posible que núcleos atómicos existentes se disuelvan en nucleones individuales, generando más neutrones libres para alimentar el proceso r. Las cálculos del equipo sugieren que esta interacción puede producir neutrones a una velocidad extraordinaria, del orden de un nanosegundo. Debido a que los protones son atrapados en el jet por los potentes campos magnéticos, los neutrones, al carecer de carga, son expulsados hacia el «cocoon». Tras experimentar un choque relativista, estos neutrones son extremadamente densos en comparación con el material estelar circundante, lo que podría desencadenar el proceso r, forjando elementos y isótopos pesados que luego serían expulsados al espacio cuando la estrella sea destrozada.
A pesar de los esfuerzos del equipo, persisten desafíos, ya que los isótopos pesados creados durante el proceso r nunca han sido producidos en la Tierra. Los investigadores aún tienen un conocimiento limitado sobre sus propiedades, como su peso atómico o su vida media.
La teoría del jet de alta energía también podría ofrecer una explicación sobre la origen de las kilonovas, una intensa radiación electromagnética óptica e infrarroja asociada con explosiones prolongadas de rayos gamma. Estas kilonovas se han relacionado principalmente con la colisión de dos estrellas de neutrones o la fusión de una estrella de neutrones con un agujero negro. La disolución de estrellas mediante jets de fotones de alta energía presenta una alternativa sobre el origen de la producción de elementos pesados y las kilonovas que podrían generar, un aspecto que no se había considerado anteriormente en el contexto de las estrellas en colapso.
Investigaciones recientes han detectado hierro y plutonio en sedimentos de las profundidades marinas, confirmando que estos depósitos provienen de fuentes extraterrestres. Sin embargo, se desconoce el evento cósmico específico que los generó. El escenario del jet de alta energía del colapsar representa una intrigante posibilidad como fuente de estos elementos pesados hallados en el fondo del mar. Para profundizar en la comprensión de este marco teórico, Mumpower y su equipo esperan llevar a cabo simulaciones que incluyan las complejas interacciones microfísicas involucradas en estos procesos.
