El origen cósmico del oro


El Mundo

  • El astrónomo Rafael Bachiller nos descubre en esta serie los fenómenos más espectaculares del Cosmos. Temas de palpitante investigación, aventuras astronómicas y novedades científicas sobre el Universo analizadas en profundidad.

El oro, el platino y otros metales preciosos se crean en la colisión catastrófica de dos estrellas de neutrones como la observada recientemente en ondas gravitacionales y con numerosos telescopios de todo tipo. Así pues, las fuentes de ondas gravitacionales son, figurada y literalmente, unas auténticas minas de oro.

Recreación de la colisión de dos estrellas de neutrones A. SIMONNETNSF/LIGO/SONOMA

Revolución astrofísica

Como puntualmente informó Teresa Guerrero en EL MUNDO , el 16 de octubre pasado se anunció la primera detección inequívoca de la fusión de un par de estrellas de neutrones. La detección original la realizaron los observatorios de ondas gravitacionales LIGO (en Estados Unidos) y VIRGO (en Italia). LIGO ya había detectado la fusión de cuatro pares de agujeros negros y, gracias a ello, los líderes del experimento acaban de recibir este año el Premio Princesa de Asturias y el Nobel de Física.

Pero ésta es la primera vez que se detectaba claramente la fusión de dos estrellas de neutrones. Y lo que es aún más sobresaliente, además de las ondas gravitacionales, se ha detectado radiación electromagnética originada por el mismo fenómeno en todo el espectro: desde las ondas de radio hasta la radiación gamma, pasando naturalmente por el infrarrojo y la luz visible.

El fenómeno, designado GW170817, tuvo lugar el pasado 17 de agosto e, inmediatamente, fue comunicado a todos los observatorios del mundo. Tan solo dos segundos tras la detección gravitacional, un brote de rayos gamma fue detectado con los telescopios espaciales Fermi (NASA) e INTEGRAL (ESA) en una región en torno la galaxia elíptica NGC4993.

En la mayor campaña coordinada de observación de la historia de la astronomía, un gran número de telescopios terrestres y espaciales -entre los que se encontraban casi todos los mayores- apuntaron hacia esa zona del cielo. Se trataba de una búsqueda difícil, pues el área a explorar era unas 150 veces más extensa que la luna llena y se encontraba relativamente próxima al Sol, por lo que sólo era posible observarla en el óptico durante una hora tras el crepúsculo. Pero a pesar de ello, 11 horas después y en un intervalo de tan solo 90 minutos, media docena de telescopios de gran campo habían identificado la aparición de una nueva fuente luminosa en NGC4993 y, a continuación, los telescopios mayores (de menor campo) comenzaron observaciones detalladísimas de ese nuevo punto de luz. Entre ellos el Hubble, el VLT, ALMA, Gemini, el VLA y un largo etcétera.

Desde agosto hasta ahora, miles de astrónomos han estado trabajando en el análisis de las masivas observaciones. La conclusión es que el evento GW170817 se produjo mediante la fusión catastrófica de dos estrellas de neutrones cuya masa conjunta era de 2,8 veces la masa del Sol. Estas observaciones pioneras abren posibilidades completamente nuevas y están llamadas a originar una auténtica revolución astrofísica.

La génesis del oro y de otros elementos

Sabemos que el hidrógeno y el helio se formaron hace 13.800 millones de años, en el mismísimo Big Bang. Las primeras estrellas, constituidas exclusivamente por estos dos elementos, mediante las reacciones de fusión nuclear en sus interiores, fueron formando elementos más pesados como el carbono y el oxígeno. Pero por este proceso tan solo se pueden formar los elementos hasta el hierro. Para formar otros elementos más pesados, como el oro y el platino, se precisa de un ámbito en el que núcleos más ligeros sean bombardeados por neutrones libres. Los astrónomos llevan décadas investigando en qué condiciones astrofísicas puede tener lugar un proceso de este tipo.

Cuando dos estrellas de neutrones colisionan se origina una explosión mil veces más brillante que las de las novas corrientes, de ahí que este tipo de explosiones se hayan designado como kilonovas. Los gases expulsados en una kilonova a altísimas velocidades, de hasta el 30% la velocidad de la luz, poseen neutrones en gran abundancia y, por tanto, parecían lugares muy prometedores para la formación de núcleos más pesados que los del hierro. En los restos de la kilonova, los neutrones van desintegrándose convirtiéndose en protones (radiactividad beta), y estos dos tipos de partículas pueden combinarse entonces para formar núcleos atómicos que sufren el bombardeo del resto de los neutrones, llegando a formar así los elementos más masivos de la tabla periódica.

Las observaciones espectroscópicas realizadas con los mayores telescopios de ESO, como el VLT equipado con el instrumento X-Shooter, han revelado la presencia de oro, platino, plomo y tierras raras en la kilonova que siguió a GW170817. Se confirma así la teoría de que los elementos más pesados que el hierro se gestan en la evolución del material nuclear que es eyectado al espacio tras la fusión de dos estrellas de neutrones. Se conocen 16 estrellas de neutrones binarias en la Vía Láctea y, a partir de este número, se estima que se da una colisión catastrófica de este estilo cada 50.000 años aproximadamente. En cada colisión se crea una masa de oro tan grande como la masa de la Tierra, de donde se deduce que las colisiones entre estrellas de neutrones representan un fenómeno suficiente para crear todo el oro que observamos en el Universo.

Si usted, querido lector, posee un anillo de oro o platino, puede estar orgulloso de poseer un recuerdo de una fabulosa colisión estelar.

(*) Rafael Bachiller es director del Observatorio Astronómico Nacional (Instituto Geográfico Nacional) y académico de la Real Academia de Doctores de España

Descubren el origen de todo el oro y la plata de la Tierra


ABC.es

  • Una antiquísima y cercana galaxia, llamada Retículum II, puede ser la clave de la procedencia de estos elementos pesados

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Al principio de los tiempos, cuando el Universo acababa de nacer, todo, o casi todo, era hidrógeno. Los elementos pesados que nos rodean en la actualidad no existían, y fueron fabricándose poco a poco en los hornos nucleares de millones de estrellas que, al morir, los liberaron al espacio. Así, esos materiales pesados fueron incorporados por nuevas generaciones de estrellas, entre ellas el Sol, que gracias a ellos pudieron formar a su vez planetas sólidos, como el nuestro.

A pesar de ello, existen algunos metales muy pesados, los más apreciados en la Tierra, cuyo origen no es tan sencillo de explicar. Los científicos, en efecto, llevan décadas intentando averiguar el origen de elementos como el oro, la plata o el platino. Y ahora, por fin, creen haberlo conseguido.

Para “fabricar” estos elementos tan pesados se necesita una increíble cantidad de energía. Tanta, que hasta ahora nadie se explicaba cómo podían siquiera existir en el Universo. Sin embargo, el descubrimiento de una antiquísima y cercana galaxia enana, llamada Retículum II, a “solo” 98.000 años luz de distancia, lo ha cambiado todo. Y es que esta pequeña y oscura galaxia satélite de nuestra Vía Láctea posee estrellas que contienen una cantidad realmente enorme de materiales muy pesados, entre ellos oro, plata y platino.

“Comprender cómo estos elementos tan pesados pudieron llegar a formarse es uno de los problemas más difíciles de la física nuclear“, afirma Anna Frebel, investigadora del Instituto de Tecnología de Massachussets (MIT) y autora principal de un estudio que acaba de publicarse en Nature. “La producción de estos elementos tan pesados -prosigue- requiere de tanta energía que resulta imposible fabricarlos experimentalmente. Sencillamente, su proceso de fabricación no funciona en la Tierra. Por eso, hemos tenido que usar estrellas y otors objetos cósmicos como laboratorio”.

Descubierta hace menos de un año, la pequeña Reticulum II está en órbita de nuestra galaxia, la Vía Láctea, y es una de las galaxias enanas más cercanas encontradas hasta ahora por los astrónomos. Se la considera una de las mejores candidatas para detectar materia oscura, y ahora se ha convertido también en el mejor lugar para averiguar cómo nuestros elementos favoritos se originaron en el Universo y cómo llegaron hasta la Tierra.

Analizando la luz procedente de varias de las estrellas más brillantes de Reticulum II con los telescopios Magallanes, en Chile, Frebel y su equipo pudieron determinar que contienen una cantidad “masiva” de elementos como oro, plata y platino. Y es del todo es imposible que estas estrellas los hallan fabricado por sus propios medios. “Cuando comprobamos con nuestro telescopio enorme cantidad de metales pesados en esa primera estrella -recuerda Alexander Ji, uno de los miembros del equipo- nos quedamos estupefactos. Además, la estrella se veía mal, como si no perteneciera a esa galaxia. Pasé mucho tiempo asegurándome de que el telescopio estaba apuntando en la dirección correcta”.

Elementos muy pesados como el oro, el uranio o el plomo se crean mediante un sistema que los científicos conocen como “proceso-r”, nombre que deriva de los términos “captura rápida de neutrones”. Ya en 1957, los físicos Hans Suess y Harold Urey demostraron que era necesaria alguna forma de captura rápida de neutrones para forjar esta clase de elementos, y que todos ellos debieron empezar a existir en alguna parte del Universo, en un lugar en el que se dieran condiciones extremas y hubiera una enorme cantidad de neutrones disponibles.

Explosión de estrellas

Según su hipótesis, la explosión de estrellas gigantes o la fusión de estrellas de neutrones (las más densas que existen) eran los escenarios más probables para que algo así sucediera, aunque Suess y Urey nunca lograron pruebas de que algo así sucediera realmente, por lo que el origen de los elementos “proceso-r” siguió estando envuelto en el misterio. Ahora, sabiendo que las colisiones de estrellas de neutrones son relativamente comunes durante las primeras etapas de la formación de galaxias enanas como Reticulum II, el equipo liderado por Anna Frebel ha determinado que Suess y Urey tenían razón.

De esta forma, elementos pesados como el oro, la plata, el plomo, el platino y otros elementos “proceso-r” se crearon durante las explosiones de estrellas de neutrones en el interior de galaxias enanas, pasaron después a formar parte de nuevas estrellas y asteroides y terminaron por estar presentes en nuestro planeta. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que todo el oro “original” de la Tierra, el que contribuyó a la formación de nuestro planeta, se hundió en su núcleo, ya que la Tierra primitiva era una gran bola de materiales fundidos, y los materiales más pesados se hunden en el centro. Por ello, todo el oro del que disponemos en la actualidad, el que está cerca de la superficie terrestre, procede, sin excepción, del impacto de asteroides.

“Como hemos dicho -puntualiza Frebel- el oro al que tenemos acceso no se formó en los asteroides, sino durante la fusión de estrellas de neutrones. Después se mezcló en la nube de gas y polvo a partir de la que se formaron todos los planetas y asteroides de nuestro sistema. Y después todo ese oro fue transportado a la Tierra”.

Además, y debido a que la fusión de esta clase de estrellas eran muy poco frecuentes en el Universo primitivo, los investigadores piensan que todo el oro, la plata y el platino que utilizamos en la Tierra proceden, probablemente, de una única colisión estelar sucedida cerca de nuestra galaxia. Quizá en el seno de la propia Reticulum II…