El oro puede ser un vestigio brillante de la primera “comida” de un agujero negro recién nacido. El oro es un elemento pesado. También lo es el platino. Y uranio. Estos y muchos otros elementos pesados podrían formarse cuando girando rápidamente, las estrellas masivas colapsan en agujeros negros recién formados. Conocidas como colapsos, estas estrellas reciben su nombre de ese colapso. Y a medida que se produce esta última etapa de sus vidas, las capas de gas a su alrededor explotan. Ese colapso y explosión dejan un disco de material girando alrededor de cada nuevo agujero negro. Cuando ese agujero negro devora el material circundante, las condiciones se vuelven ideales para que se forme oro, platino y otros elementos pesados, informan ahora los científicos.
“Los agujeros negros en estos ambientes extremos son comedores quisquillosos”, dice Brian Metzger. Es astrofísico en la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York. Estos agujeros negros no pueden absorber tanta materia a la vez. Lo que no se tragan, se lo lleva el viento. Este viento tiene muchos neutrones, partículas subatómicas que no tienen carga eléctrica. Con muchos de ellos en el viento, crea las condiciones adecuadas para la creación de elementos pesados, dice Metzger. Al menos eso es lo que sugieren las simulaciones del nuevo modelo informático de su equipo.
Metzger y sus colegas describieron esas simulaciones y sus resultados en línea el 8 de mayo en Nature.
Cocinando los elementos
Su equipo ha estado tratando de responder a una vieja pregunta: ¿De dónde vienen los elementos más pesados del universo?
Los astrónomos saben que ciertos elementos se forman dentro de las estrellas y luego se expulsan al espacio cuando las estrellas moribundas explotan. Estos son elementos como el carbono, el oxígeno y el hierro. Los científicos llaman a estos elementos ligeros porque tienen menos masa que los de oro y platino.
Las estrellas no pueden hacer elementos más pesados que el hierro (como el oro y el platino). Para tener tanta fuerza, tiene que haber muchos neutrones. Y tienen que estar bien apretados, creando un ambiente extremo. Y en ella, los centros de los átomos, núcleos, absorben neutrones. Después de absorber muchos de ellos, el núcleo de un átomo se volverá inestable. Para estabilizarse una vez más, sufre un decaimiento radioactivo. En esa descomposición, un neutrón se convierte en un protón. Y eso hace un nuevo elemento. Los astrofísicos se refieren a esta cadena de reacciones como el proceso “r”.
Los científicos habían sospechado que los elementos fabricados de esta manera podrían emerger cuando dos estrellas chocan. Específicamente, ocurriría cuando el choque involucra a dos estrellas muertas conocidas como estrellas de neutrones.
La buena evidencia para la idea surgió hace casi dos años. Fue entonces cuando los astrónomos vieron una colisión entre dos estrellas de neutrones. Hizo olas que estiraban y exprimían el espacio-tiempo, el tejido del espacio. Los astrónomos llaman ondas gravitacionales a las ondas. El estudio del smashup mostró que las estrellas de neutrones escupieron elementos pesados, incluyendo oro, plata y platino.
Pero la explicación de la idea de la estrella de neutrones tiene sus defectos. Las estrellas densas y muertas pueden tardar mucho en chocar. Los elementos pesados, sin embargo, se han encontrado en las estrellas antiguas, las que se formaron en el universo primitivo. No está claro si una fusión de estrellas de neutrones podría ocurrir tan temprano en la historia del universo. Pero tendría que hacerlo para explicar la presencia de los elementos en esas primeras estrellas.
Agujeros negros muy antiguos
Así que si no había smashups de estrellas de neutrones en ese entonces, ¿qué hacían los elementos pesados? Los científicos piensan que las estrellas giratorias que colapsan en agujeros negros, colapsos, podrían haber ocurrido en los primeros días del universo. Y ese proceso podría ser un prolífico fabricante de elementos pesados.
Un solo colapso podría generar 30 veces más material de proceso r que una fusión de estrellas de neutrones. Un colapso podría generar unos cientos de veces la masa de oro de la Tierra, dice Metzger. Los colapsos, por lo tanto, podrían ser responsables del 80 por ciento de los elementos fabricados por el proceso “r”. Las fusiones de estrellas de neutrones compensarían el resto, sugieren Metzger y sus colegas.
Sus resultados arrojaron nueva luz sobre un descubrimiento en 2016 acerca de una galaxia enana llamada Reticulum II. Sus estrellas son ricas en elementos pesados. Eso significa que algún tipo de catástrofe ocurrió en la galaxia hace miles de millones de años para hacer todos esos elementos pesados. Los científicos habían pensado que una antigua fusión de estrellas de neutrones había sembrado esta galaxia con esos elementos. Un colapsar ahora se convierte en otro candidato.
“Es muy emocionante”, dice Anna Frebel. Es astrofísica en el Massachusetts Institute of Technology de Cambridge y coautora del estudio de 2016 sobre Reticulum II. Las fusiones de estrellas de neutrones son raras. Así que “parecía que estábamos proponiendo ganar la lotería”, dice. “Pero los colapsos son aún más raros. Por cada 10 fusiones de estrellas de neutrones, hay un colapsar. Así que si los colapsos son la explicación, parece que hemos ganado la lotería dos veces”.
Todavía no está claro si los colapsos ocurren con la suficiente frecuencia como para explicar la abundancia de elementos pesados que se ven en todo el universo. Tampoco está claro si producen la cantidad adecuada de material. “Creo que el jurado sigue deliberando”, dice Alexander Ji. Es astrofísico en los Observatorios Carnegie en Pasadena, California. Es coautor de un artículo de 2016 sobre Reticulum II.
“Ahora estamos pensando con mucha emoción en cómo se puede notar la diferencia”, dice Ji, ya sea que los colapsos o las estrellas de neutrones expliquen mejor las galaxias como Reticulum II. Las futuras observaciones de las secuelas de las explosiones de los colapsos podrían ser útiles. Podrían ayudar a determinar el papel de los colpasos en la formación de tales galaxias. Las observaciones también podrían revelar si los colapsos realmente ensucian el universo con elementos pesados.