Observan por primera vez la formación de tierras raras en la fusión de dos estrellas de neutrones

Un estudio revela que las kilonovas constituyen una fuente de elementos pesados, incluidas las tierras raras, diecisiete elementos de la tabla periódica muy codiciados en nuestro planeta por su importancia en la fabricación de tecnologías y productos de consumo.

Por el CSIC

Concepción artística de una kilonova asociada con un estallido de rayos gamma.

Concepción artística de una kilonova asociada con un estallido de rayos gamma. Crédito: Clara & Sofía López Martín (Freepik) y Alberto J. Castro-Tirado (IAA-CSIC/UMA)

Las kilonovas son eventos astronómicos extraordinariamente energéticos y explosivos que resultan de la fusión de dos estrellas de neutrones, o de una estrella de neutrones bien con un agujero negro o bien con una estrella enana blanca, el cadáver de una estrella similar al Sol.

Estos raros fenómenos se caracterizan por la emisión de una intensa y breve ráfaga de rayos gamma (GRB), habitualmente con una duración de menos de dos segundos. Un estudio recientemente publicado en la revista Nature, que ha contado con la colaboración del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), ha confirmado el papel fundamental de las kilonovas en la producción de elementos pesados en el universo, especialmente los conocidos como tierras raras (lantánidos).

Es conocido que las estrellas actúan como fábricas de elementos químicos a partir del hidrógeno y del helio. Sin embargo, la nucleosíntesis estelar solo puede explicar la formación de elementos de la tabla periódica menos pesados que el hierro. Es en fenómenos explosivos y extremadamente energéticos, como las supernovas o kilonovas, donde se generan las condiciones necesarias para la creación de buena parte de los elementos más pesados de la tabla periódica.

Yuhan Yang, investigador postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Roma Tor Vergata, y Eleonora Troja, profesora asociada a dicha universidad, encabezan este nuevo estudio que analiza la evolución temporal de las kilonovas y su implicación en la producción de elementos pesados.

Primer paso: desintegración radiactiva de los elementos más pesados que el hierro.

“En los primeros días, la evolución de una kilonova se caracteriza esencialmente por la desintegración radiactiva de los elementos más pesados que el hierro, y que han sido sintetizados durante la fusión de los dos objetos compactos que han originado el fenómeno —explica Yuhan Yang, primer autor del trabajo. Y añade:— Durante las semanas y meses posteriores, lo esperable es que el comportamiento de la kilonova difiera según la composición tanto del material liberado como del remanente que queda tras la explosión”.

Sin embargo, salvo excepciones, no es habitual que se pueda observar la evolución de una kilonova más allá de unos pocos días. “Se necesitan semanas y meses para revelar qué metales se forjan en la explosión, y hasta la fecha nunca tuvimos la oportunidad de contemplar una kilonova durante tanto tiempo”, declara la profesora Eleonora Troja, segunda autora del trabajo.

La kilonova objeto de estudio de la investigación está relacionada con una ráfaga de rayos gamma observada el pasado 7 de marzo de 2023 (GRB 230307A), probablemente originada por el colapso de dos estrellas de neutrones situadas en una lejana galaxia a una distancia de unos 950 millones de años luz de la Tierra.

Representación artística de la fusión de dos estrellas de neutrones para formar un agujero negro (oculto dentro de un bulto brillante en el centro de la imagen). La fusión genera chorros opuestos de material de alta energía (azul) que calientan el material alrededor de las estrellas, haciéndolo emitir rayos X (nubes rojizas).

Gracias a diversos observatorios y telescopios de gran sensibilidad, tales como los telescopios espaciales Hubble y James Webb, entre otros, los autores han podido realizar un exhaustivo seguimiento del evento en diferentes longitudes de onda. Esto les ha permitido caracterizar la evolución de la kilonova incluso hasta dos meses después de la explosión. “Esta es la primera vez que hemos podido comprobar que metales más pesados que el hierro y la plata estaban recién fabricados frente a nosotros”, afirma Troja.

El análisis detallado de estas observaciones apunta a la producción de elementos pesados en el material expulsado tras la fusión. Destaca especialmente la presencia de lantánidos, más conocidos como tierras raras, elementos químicos fundamentales en buena parte de nuestra tecnología actual.

A pesar de su nombre, las tierras raras no son particularmente raras en la corteza terrestre, pero son difíciles de extraer y refinar en grandes cantidades. Se utilizan en una variedad de aplicaciones tecnológicas debido a sus propiedades únicas, como en la fabricación de imanes de alta resistencia, especialmente en motores eléctricos, generadores eólicos, auriculares, discos duros de computadora y altavoces; en la fabricación de televisores de pantalla plana y monitores de ordenador; o en la producción de bombillas de luz de bajo consumo y ledes.

“La emisión observada en el infrarrojo medio procedente de GRB 230307A confirma la formación de elementos más pesados que el hierro mediante un rápido proceso de captura de neutrones, el llamado proceso r”, explica Alberto J. Castro-Tirado, investigador del IAA-CSIC y responsable de la Unidad Asociada en la Universidad de Málaga, también coautor del artículo, junto a los investigadores Ignacio Pérez-García y Youdong Hu, ambos del IAA-CSIC.

El equipo ha sido corresponsable de los datos ópticos aportados al estudio adquiridos mediante el telescopio SOAR, de 4,1 metros de diámetro, que está situado en Chile. “Este estudio confirma sin género de dudas el papel fundamental que juegan las kilonovas en la creación de elementos pesados en el universo”, concluye Castro-Tirado.

  • Información facilitada por el CSIC

  • Fuente: Yu-Han Yang, Eleonora Troja, Brendan O’ Connor, Alberto J. Castro-Tirado et al. A lanthanide-rich kilonova in the aftermath of a long gamma-ray burst. Nature (2024). DOI: doi.org/10.1038/s41586-023-06979-5

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