Todos los elementos pesados de la Tierra hoy en día se formaron en condiciones extremas en entornos astrofísicos: dentro de las estrellas, en explosiones estelares y durante la colisión de estrellas de neutrones. Sin embargo, lo que intriga a los científicos es cuál de estos eventos astrofísicos posee las condiciones apropiadas para la formación de los elementos más pesados, como el oro o el uranio.
Un equipo internacional de investigadores ha descubierto 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 predicha de los elementos formados proporciona una idea de qué elementos pesados deben estudiarse en futuros laboratorios, como la Instalación de Investigación de Antiprotones e Iones (FAIR), que está actualmente en construcción, para desentrañar el origen de los elementos pesados.
La espectacular primera observación de ondas gravitacionales y radiación electromagnética originada en una fusión de estrellas de neutrones en 2017 sugirió que se pueden producir y liberar muchos elementos pesados en estas colisiones cósmicas. No obstante, 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.
De momento, los candidatos más prometedores para la producción de elementos pesados son los agujeros negros orbitados por un disco de acreción de materia densa y caliente. Dicho sistema se forma tanto después de la fusión de dos estrellas de neutrones masivas como durante el llamado colapso y posterior explosión de una estrella en rotación.
La composición interna de tales discos de acreción no se ha entendido bien hasta ahora, 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 proceso rápido 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 un gran número de configuraciones de disco mediante elaboradas simulaciones por computadora, y encontramos que los discos son muy ricos en neutrones siempre que se cumplan ciertas condiciones”, explica 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 mediante la captura de electrones bajo emisión de neutrinos, y están disponibles para la síntesis de elementos pesados mediante el proceso r. Sin embargo, si la masa del disco es demasiado alta, la reacción inversa juega un papel más importante, de modo que los neutrones recapturan más neutrinos antes de que abandonen el disco. Estos neutrones luego se vuelven a convertir en protones, lo que dificulta el proceso r ".
Como muestra el estudio, la masa de disco óptima para una 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 estos discos de acreción ocurren en sistemas colapsados y con qué frecuencia.
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