Un nuevo estudio realizado por científicos del Centro de Investigación de Iones Pesados (GSI) de Alemania y otras instituciones académicas de Bélgica y Japón ha concluido que los agujeros negros rodeados por un disco de acreción, compuesto por material extremadamente denso y a elevadas temperaturas, podrían ser el origen de gran parte del oro y otros elementos pesados que existen en el universo. Las fusiones de estrellas de neutrones serían el punto de partida de estas enigmáticas estructuras cósmicas.
Un disco de acrecimiento o disco de acreción es una estructura integrada por gas y polvo que gira en torno a un objeto central masivo, en este caso un agujero negro. El material de estos discos, a partir de la energía que se va perdiendo por el mismo movimiento de rotación, va cayendo hacia el centro del sistema, sumando su masa a aquella que posee el objeto central.
Síntesis de elementos pesados
De acuerdo a una nota de prensa, la síntesis de elementos pesados como el oro estaría íntimamente relacionada con los agujeros negros y sus discos de acreción. En línea con lo indicado en otros recientes estudios, la nueva investigación sostiene además que la formación de estas colosales estructuras se concretaría tras la fusión de dos estrellas de neutrones masivas.
Otro posible origen podrían ser los denominados colapsos gravitatorios: se originan luego de la muerte de una estrella, exactamente cuando la misma se queda sin combustible. En ese momento, el cuerpo estelar se desmorona “hacia adentro” debido al efecto de su propia gravedad. De esta forma, la estrella se contrae hasta finalmente conformar un agujero negro.
Aunque se sabe que los elementos pesados como el oro o el uranio, que están presentes en la Tierra y en el resto del universo, se crearon a partir de enormes explosiones y colisiones estelares, poco se conoce o se ha podido determinar sobre las condiciones exactas de su formación. La gran pregunta que intriga especialmente a los astrofísicos es cuál de todos los fenómenos cósmicos de este tipo es el que dinamiza mayormente la producción de los elementos pesados.
Exceso de neutrones
Cuando en 2017 se produjo la primera observación de ondas gravitacionales, una de los descubrimientos derivados de este hecho científico clave fue la posibilidad de estudiar con mayor nivel de detalle los eventos relacionados con la generación y liberación de muchos elementos pesados.
Según el nuevo estudio, publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, todo indicaría que la clave estaría oculta en los agujeros negros rodeados por los discos de acreción. La cuestión primordial es determinar las condiciones en las que se forma un exceso de neutrones en dichas estructuras, el requisito básico para la síntesis de elementos pesados.
En líneas generales, los investigadores descubrieron que las fusiones de estrellas de neutrones que producen discos de acreción con masas específicas y en un determinado rango, son capaces de propiciar las condiciones exactas para generar una gran fracción de los elementos pesados. Las características de estas estructuras facilitarían un proceso rápido de captura de neutrones y la conversión entre protones y neutrones, derivando en la formación del oro y otros elementos pesados.
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El punto clave es la masa
Los científicos creen que el factor decisivo es la masa total del disco de acreción. Si es una estructura más masiva, la formación de neutrones a partir de protones se multiplicará: en consecuencia, estarán disponibles las condiciones para la síntesis de elementos pesados. Ahora, los especialistas están intentando determinar qué elementos pesados deben estudiarse en futuras investigaciones, para desentrañar por completo el origen de estos elementos.
La posibilidad de contar con nuevas instalaciones y métodos de observación, que actualmente están en desarrollo, promete finalmente alcanzar una respuesta definitiva con relación al origen de los elementos pesados en el universo. Será posible determinar así cuándo y por qué se expulsa el material de los discos de acreción y si puede haber otros escenarios aún desconocidos en los que se puedan producir elementos pesados.
Referencia
Neutrino absorption and other physics dependencies in neutrino-cooled black hole accretion discs. O Just, S Goriely, H-Th Janka, S Nagataki and A Bauswein. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2021). DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stab2861
Foto: recreación artística de un disco de acreción caliente y denso alrededor de un agujero negro: estas estructuras podrían ser sitios claves para la formación de oro y otros elementos pesados. Crédito: National Radio Astronomy Observatory (NRAO), Estados Unidos.