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

Simulación por ordenador de una explosión de tipo kilonova KOPPITZ/ROZZOLANASA/AEI/ZIB

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

También interesante

En Junio de 2013, los astrónomos ya habían detectado una kilonova que también fue vista como un estallido de rayos gamma. Pero se trató de un fenómeno muy débil pues tuvo lugar a unos 4.000 millones de años luz de distancia. Por otro lado, la galaxia elíptica NGC4993 se encuentra a 130 millones de años luz de distancia en la constelación de La Hidra. Esta galaxia se conoce desde el siglo XVIII: fue catalogada como una nebulosa en 1789 por el gran astrónomo William Herschel. Y por último, docenas de artículos científicos fueron publicados el pasado 16 de octubre en las revistas más prestigiosas del mundo (Nature, Science, The Astrophysical Jounal, Physical Review Letters…) dando cuenta del fenómeno GW170817. En el artículo que describe las observaciones de seguimiento tras el descubrimiento participan casi 4000 coautores de unas 900 instituciones de todo el mundo (por supuesto, varias españolas). Esto representa un tercio de la comunidad mundial de astrónomos profesionales.

Otra misteriosa señal cósmica vuelve a sorprender a los astrónomos

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• Un misterioso y potentísimo «flashazo» de rayos X acaba de ser detectado por el equipo de investigadores que opera el observatorio Chandra

Localización de la enigmática fuente de rayos X – NASA/CXC/F. Bauer et al

El Universo está lleno de señales que los científicos, sencillamente, no alcanzan a comprender. Señales tan energéticas y potentes que pueden ser captadas desde la Tierra incluso a distancias de miles de millones de años luz, pero cuyo origen, naturaleza y localización exacta se desconocen. Pueden llegar en las más diversas longitudes de onda, desde los rayos gamma a los rayos X o incluso en las frecuencias de radio, pero con una intensidad tal que resulta imposible atribuirlas a fenómenos naturales conocidos.

Astrónomos del mundo entero intentan captar estos repentinos estallidos que a menudo liberan, en menos de un segundo, más energía que el Sol en varios millones de años. Para ello se han construido poderosos telescopios que peinan el cielo cada uno en una longitud de onda concreta. Los brotes de rayos gamma, por ejemplo (GRBs por sus siglas en ingles), son los eventos más luminosos de todo el Universo y se cree, aunque no se sabe con certeza, que podrían estar producidos por la explosión de supernovas muy lejanas, o deberse quizá a fenómenos extremadamente violentos que aún no hemos sido capaces de identificar. Lo que sí sabemos es que es tal el brillo que producen que, por un instante, eclipsan a los miles de millones de estrellas que forman la galaxia a la que pertenecen.

Hace pocos días (otro ejemplo diferente) astrónomos del Instituto Harvard-Smithsonian se declaraban incapaces de explicar otro tipo de señal, esta vez un destello rápido de radio (FRB o Fast Radio Burst), de apenas unos nanosegundos de duración pero con una intensidad tal que los investigadores llegaron a preguntarse si no estaríamos ante el alarde tecnológico de una civilización extragaláctica muy avanzada. El primer FRB se descubrió en 2007, y hasta ahora solo se han detectado 18, sin que nadie haya logrado ofrecer una explicación lógica o coherente que justifique su existencia.

Y ahora le ha tocado el turno a los rayos X. Un misterioso, y también potentísimo «flashazo» de rayos X, en efecto, acaba de ser detectado por el equipo de investigadores que opera el Observatorio de rayos X Chandra, de la NASA. Y lo han localizado mientras estudiaban la que es, hasta ahora, la imagen más profunda del Universo obtenida en esa longitud de onda. En un artículo que se publicará en junio en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, los científicos sostienen que es posible que la fuente de esta emisión sea algún tipo de evento sumamente destructivo, aunque de un tipo que nunca se había visto antes.

Una «fuente en llamas»

Esta misteriosa emisión de rayos X fue descubierta en octubre de 2014, y desde entonces el equipo de científicos trata de buscarle, sin éxito, una explicación. «Esta fuente en llamas -afirma Niel Brandt, uno de los autores del estudio- fue una maravillosa sorpresa que descubrimos de forma accidental durante un trabajo en el que tratábamos de explorar el Universo en el mal comprendido ámbito de los rayos X. Definitivamente, tuvimos suerte con este hallazgo, y ahora disponemos de un nuevo fenómeno transitorio que tendremos que tratar de explicar durante los próximos años».

Localizada en una región del cielo conocida como »Campo profundo Sur de Chandra» (Chandra Deep Field-South, o CDF-S), la fuente de rayos X tiene toda una serie de propiedades únicas. Por ejemplo, antes de octubre de 2014 no había ni rastro de ella en esa región de cielo estudiada por Chandra, pero de pronto apareció y en apenas unas horas multiplicó su brillo más de mil veces. La emisión duró todo un día, para ir debilitándose después hasta caer por debajo de la sensibilidad de los instrumentos del Chandra y desaparecer por completo.

Fueron necesarias miles de horas de trabajo de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer para determinar que el suceso provenía de una débil y pequeña galaxia situada a unos 10.700 millones de años luz de la Tierra. Durante unos minutos, la fuente de rayos X produjo mil veces más energía que todas las estrellas de esa lejana galaxia.

«Desde que descubrimos esa fuente -explica por su parte Franz Bauer, otro de los firmantes del artículo- hemos estado luchando por entender su origen. Es como si tuviéramos delante un rompecabezas, pero sin disponer de todas las piezas».

¿Qué es lo que han visto?

Durante los más de dos meses y medio que el Observatorio espacial Chandra estuvo observando la región CDF-S, la misteriosa fuente de rayos X no volvió a aparecer. Y tampoco se han encontrado señales similares en otras partes del cielo, que Chandra lleva observando desde hace ya 17 años. Y si bien es cierto que se han observado fuentes de rayos X en otras ocasiones, ninguna de ellas se aproxima siquiera a las características y propiedades de esta señal en concreto.

Para Kevin Schawinski, otro de los autores del artículo, »es posible que hayamos sido testigos de un tipo completamente nuevo de evento cataclísmico. Pero sea lo que sea, necesitaremos llevar a cabo muchas más observaciones para poder comprender qué es exactamente lo que hemos visto».

Descubren el origen de la mayoría del litio del Universo

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• Según un estudio la mayor parte de este elemento se ha creado en el Universo en novas, explosiones de enanas blancas dentro de estrellas dobles

  

  Concepción artística de un sistema binario similar al que ha producido la nova Sagittarii 2015 N.2 y que ha permitido realizar este estudio – David A. Hardy y PPARC

Casi todos los elementos químicos que nos rodean se han generado en el espacio. Instantes después del Big Bang la energía liberada se transformó en los elementos químicos más ligeros y abundantes: el hidrógeno y el helio, y pequeñas cantidades de litio y berilio. Las estrellas, y las explosiones de novas y supernovas que se produjeron miles de millones de años después, generaron los elementos químicos más pesados, como el oro, el plomo o el cobre. Con el paso del tiempo, los elementos se fueron reciclando y viajando entre planetas y estrellas, pero aún no se puede reconstruir cómo se originaron todos los elementos químicos.

Por ejemplo, hasta ahora se consideraba que el 25 por ciento del litio de Universo se había generado tras el Big Bang (en la llamada nucleosíntesis primordial) pero se desconocía el origen del litio restante. Pero un grupo de investigadores del Instituto Astrofísico de Andalucía (IAA-CSIC) afirma haber logrado acabar con este misterio. Tal como han concluido en un artículo publicado este jueves en «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society», han encontrado evidencias que sugieren que este elemento se formó en novas, explosiones que se producen en enanas blancas.

Llegaron a esta conclusión después de estudiar la nova Sagitario 2015 N.2., un estallido localizado en la constelación del mismo nombre y descubierto por el astrónomo John Seach en marzo de 2015. Allí, los científicos del IAA, dirigidos por el investigador Luca Izzo, detectaron enormes cantidades de berilio-7, un isótopo (átomo de un mismo elemento químico pero con distinto número de neutrones) que decae y se transforma en litio pasados un poco más de 50 días.

Según esta investigación, esto es una prueba de que el litio del Universo podría haberse generado en las novas. Estas ocurren en estrellas binarias (que son muy abundantes en el Universo), o sea, en estrellas formadas por una pareja. Cuando una de ellas es una enana blanca (un estado que se forma cuando una estrella ha consumido la mayor parte de su combustible), puede ocurrir que esta sea capaz de desgarrar la capa de gas de su vecina. A veces, esto hace que la ladrona estalle en una llamara termonuclear que incrementa su brillo hasta en 100.000 veces. Un fenómeno que vuelve a ocurrir pasados unas semanas.

Gracias a un instrumento del «Very Large Telescope» (VLT), del Observatorio Europeo Austral (ESO), los investigadores han podido analizar la luz procedente de la nova para averiguar su composición. durante un total de 24 días.

Así, los científicos pudieron medir por primera vez la evolución del berilio-7 dentro de la nova: «El berilio 7 es un elemento inestable que se degrada en litio en 53.2 días», ha dicho Christina Thöne, investigadora del IAA y participante en el estudio. Lo interesante es que su presencia era muy abundante.

Ya se sabía que este elemento aparecía en las novas, pero esta ha sido la primera vez en que los científicos han visto que este elemento se produce en tan enormes cantidades: «Estamos hablando de una cantidad de litio que es 10 veces mayor a la que hay en el Sol», ha dicho Luca Izzo. «Con estas cantidades, dos novas similares al año serían suficientes para producir todo el litio de la Vía Láctea. Por eso, las novas parecen ser la fuente predominante de litio en el Universo», ha concluido el investigador.

¿Se expande realmente el Universo a un ritmo acelerado?

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• Científicos de Oxford creen que esta teoría ampliamente aceptada podría ser errónea tras estudiar casi un millar de supernovas

Hace cinco años, los astrónomos Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess recibieron el Nobel de Física por su demostración, a finales de los 90, de que el Universo se está expandiendo de forma acelerada, esto es, cada vez más deprisa. Sus conclusiones se basaban en el análisis de supernovas del tipo 1A (enormes explosiones termonucleares de estrellas moribundas) captadas tanto por el telescopio espacial Hubble como por toda una batería de telescopios con base en tierra. El hallazgo condujo a la aceptación generalizada de la idea de que el Universo está dominado por una misteriosa sustancia, la «energía oscura», que sería la que impulsa esa expanción acelerada.

Ahora, sin embargo, un equipo de investigadores liderados por Subir Sarkar, del Departamento de Física de la Universidad de Oxford, afirman que esa idea podría no ser correcta. Utilizando un catálogo de 740 supernovas del tipo 1A (diez veces mayor que el muestreo original usado para elaborar la teoría), los científicos aseguran tener pruebas de que la aceleración del Universo podría ser mucho menor de lo que se creía. Sus datos, en efecto, apuntan más a una expansión de ritmo constante que a una acelerada. El estudio se acaba de publicar en Nature Scientific Reports.

En palabras del propio Sarkar, «el descubrimiento de la expansión acelerada del Universo ganó el Premio Nobel, el Premio Gruber de Cosmología y el premio Revelación en Física Fundamental. Lo cual ha llevado a una aceptación general de la idea de que el Universo está dominado por una ´energía oscura´ que se comporta como si fuera una constante cosmológica y que se ha convertido en el Modelo Estandar de la Cosmología».

«Sin embargo -continúa el investigador- ahora existe una base de datos mucho mayor que entonces de supernovas para llevar a cabo análisis estadísticos rigurosos y detallados. Nosotros hemos analizado el último catálogo disponible de 740 supernovas del tipo 1A (diez veces más de las que había en el muestreo original sobre el que se basaó el descubrimiento) y hemos encontrado que la evidencia para un Universo acelerado es, como mucho, lo que los físicos llamarían `3 sigma`. Lo cual está muy lejos del `5 sigma`necesario para poder anunciar un descubrimiento de importancia fundamental».

Una nueva partícula

Para Sarkar, «un buen ejemplo sería la reciente sugerencia de una nueva partícula de 750 GeV, basada en datos del Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Al principio tuvo incluso mayor grado de certidumbre (3,9 sigma y 3,4 sigma en Diciembre del año pasado) y estimuló más de 500 estudios científicos. Sin embargo, este mes de agosto se anunció que nuevos datos han hecho bajar el supuesto hallazgo a 1 sigma. Es decir, que se trataba de una fluctuación estadística, y no de una partícula real».

Existen otros datos que parecen apoyar la idea de que vivimos en un Universo en expansión acelerada, como los que proceden del fondo cósmico de microondas (el débil resplandor del Big Bang, que permea todo el Universo), recopilados por el satélite Planck. Pero para Sarkar «todas esas pruebas son indirectas, y se han obtenido en el contexto de un modelo previamente asumido, además de que el fondo cósmico de microondas no resulta afectado directamente por la energía oscura».

«Por lo tanto -añade el científico- es muy posible que hayamos sido inducidos a error, y que la manifestación aparente de la enegía oscura no sea más que una consecuencia del análisis de los datos en un modelo teórico demasiado simplificado, y que de hecho fue elaborado en la pasada década de los años 30, mucho antes de que hubiera ningún dato real.»

Para concluir, Sarkar añade que «naturalmente, será necesario un montón de trabajo para convencer de esto a la comunidad científica, pero nuestro trabajo sirve para demostrar que uno de los pilares más importantes del actual Modelo Cosmológico Estandar resulta ser más bien endeble. Espero que esto motivará a otros científicos para que hagan un mejor análisis de los datos cosmológicos, y que inspire a los teóricos para que investiguen otros modelos cosmológicos más realistas. Se lograrán progresos significativos cuando el Telescopio Europeo Extremadamente Grande (E-ELT), previsto para 2022, lleve a cabo observaciones de larga duración con su nuevo `peine laser´ultrasensible. Entonces sabremos si la tasa de expansión se está acelerando realmente».

A la caza de los agujeros negros invisibles que vagan por el Universo

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• Un agujero negro supermasivo desgarró y engulló a una estrella hace 3.800 millones de años, lo que hoy permite estudiar el proceso por el que los agujeros dormidos despiertan y comienzan a engullir materia

Representaciónagujero negro estudiado, Swift J1644+57. Una estrella pasó por las cercanías y fue arrastrada a su interior – NASA/Swift/Aurore Simonnet, Sonoma State U.

Los agujeros negros supermasivos son terribles entidades físicas que devoran la materia y que retuercen la realidad hasta los límites de lo infinito. Sin embargo, la mayor parte de ellos en realidad no está devorando materia ni engullendo estrellas. Los cálculos de los astrofísicos estiman que casi el 90 por ciento de los agujeros negros están dormidos, puesto que no están rodeados por cinturones de gas ni materia que puedan engullir. El problema de estos «inofensivos» agujeros es que resulta casi imposible verlos, porque no emiten luz ni radiación alguna. Por eso, el conocimiento sobre los límites del espacio-tiempo en realidad está muy constreñido a aquellos agujeros que sí están activos: una minoría dentro de la población total.

Pero cuando una estrella pasa demasiado cerca de un agujero negro supermasivo dormido, esa oscuridad y ese silencio llegan a su fin. Esto ocurrió al menos una vez hace unos 3.800 millones de años, cuando el agujero negro supermasivo Swift J1644+57 desgarró a una estrella y le robó su gas. Tal como han concluido astrónomos de la Universidad de Maryland y de Michigan en un artículo publicado este miércoles en Nature, durante este evento, registrado en 2011, se produjo un potente efecto de disrupción de marea. A lo largo de ese fenómeno, el agujero tiró de la estrella y trató de tragársela, convirtiéndola en un disco de acreción (como si fuera un remolino en el fondo de una bañera) que comenzó a girar a su alrededor a una velocidad increíble. Esto es interesante porque ha permitido entender las primeras etapas de la formación de un disco de acreción y también aprender más sobre el comportamiento de los agujeros negros dormidos, que son la fracción mayoritaria entre los agujeros negros supermasivos.

«Antes de este resultado, no había evidencias claras de qué estábamos viendo en las regiones internas de los discos de acreción», ha dicho Erin Kara, investigadora en la Universidad de Maryland y directora de la investigación. Pero en esta ocasión, aquel cuerpo misterioso se ha comportado de forma peculiar. «La mayoría de los eventos de disrupción de marea (en los cuales un agujero desgarra una estrella, incluso generando un efecto de espaguetización) no emiten mucha energía en forma de rayos X. Pero ha habido al menos tres eventos que lo han hecho, y en este caso es la primera vez en que algo así se ha registrado con tanto nivel de detalle».

Normalmente, el disco de acreción de un agujero negro se comporta como la pantalla cónica de las linternas en la que se coloca la bombilla: la superficie reflectante y la forma de cono pueden dirigir la luz (radiación) hacia un lugar concreto. Pero en este trabajo, todo indica que los rayos X detectados en el agujero negro supermasivo Swift J1644+57 se originaron en el interior del disco y no en la superficie, lo que no concuerda con esta concepción.

La explicación para este fenómeno está en los eventos de disrupción de marea, unos fenómenos en los cuales el agujero emite entormes haces de partículas aceleradas hasta casi la velocidad de la luz. La casualidad quiso que este agujero, detectado en 2011, emitiera haces justo en la dirección de la Tierra. De lo contrario, no habría sido detectado.

Aparte de eso, las observaciones mostraron que Swift J1644+57 fue tan voraz al consumir su estrella, que incluso superó el límite teórico de Eddington: esta magnitud, marca la velocidad máxima a la que un agujero negro puede consumir materia.

Por eso, este hallazgo puede ayudar a entender cómo los agujeros negros supermaivos son capaces de crecer, hasta acumular masas que son millones de veces superiores a las del Sol.

La «sociología» de los agujeros negros

«Entender la población de agujeros negros en general es imporante. Han jugado un importante en la evolución de las galaxias. Y, aunque hoy en día estén dormidos, en el pasado no lo estuvieron», ha dicho Chris Reynolds, investigador en la Universidad de Maryland y coautor del estudio. «Si solo nos fijamos en agujeros negros activos, podemos estar analizando una muestra de la población muy sesgada. Podría ser que esos agujeros negros tuvieran algunas peculiaresdades. de ahí la imporatncia de estudiar a toda la población para evitar confusiones».

Por eso, en conclusión, esta investigación permite entender mejor el proceso por el cual un agujero negro supermasivo devora a una estrella, el llamado evento de disrupción de marea. Y además, facilita entender cómo estos cuepros crecen y evolucionan junto a las galaxias.

Para observar esto, los astrónomos usaron los rayox X para hacer un mapa del disco de acreción de este agujero negro, usando una técnica llamada «mapeado por reverberación de rayos X». Al igual que el eco en una habitación puede dar pistas sobre el tamaño de la estancia, el tiempo que emplearon los rayos X en ser reflejados desde ciertos átomos del disco sirvió para estimar la velocidad y la dirección de giro del disco de acreción.

En el futuro esto podría servir para hacer mapas para tratar de entender en qué dirección giran los agujeros negros, y en general para entender la evolución de los agujeros y averiguar cómo despiertan y cómo se duermen estos gigantes tan importantes en la evolución del Universo.

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

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

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…

Las lluvias de estrellas en la antigüedad

El Pais

• El fenómeno astronómico suscitaba el temor de los pueblos antiguos, si bien alguno, como el egipcio, supo sacarle provecho material

• Seis claves para no perderse nada de las Perseidas

Grabado de 1833 que muestra una lluvia de estrellas sobre Gettysburg (EE UU).

Las civilizaciones antiguas dejaron escasos testimonios de las lluvias de estrellas, aunque no las catalogaron como tal. Así, en el siglo II a.C., los chinos dejaron una referencia de una observación cometaria en El libro del príncipe de Huai-Nan (1057 a. C.), escrito por Liu An durante el reinado de Wu.

En el Egipto Antiguo, en la estela de Tutmosis III, hallada en el primer patio del templo de Amón en Gebel Barkal, hay una inscripción que bien podría referirse a un avistamiento de estrellas fugaces. He aquí un fragmento de la transcripción:

«Era la segunda hora cuando vino la estrella que venía desde su sur. Nunca había sucedido igual. Se lanzó (la estrella) hacia ellos en oposición. Nadie permaneció allí de pie. [Yo los masacré como los que no existen, estando ellos tirados en su sangre] [caídos en un montón]. Entonces, estaba el [uraeus] tras ellos con el fuego tirados hacia sus caras. Nadie encontraba su mano entre ellos ni miraba hacia atrás. Sus caballos no estaban, estaban desbocados […]». (Fuente: La astronomía en el antiguo Egipto, José Lull)

Existe otra observación registrada, también en el mundo egipcio, recogida en el documento El cuento del náufrago. Describe un meteoroide que supera la fricción de la atmósfera, impacta y causa la muerte de muchos seres vivos. El relato forma parte de la literatura egipcia, aunque no se puede descartar que estuviera basado en un suceso real que acaeciera tiempo atrás:

«Totalizábamos 75 serpientes con mis hijos y mis hermanos sin mencionarte». (Fuente: La astronomía en el antiguo Egipto, José Lull)

Los cometas fueron interpretados en la antigüedad como mal augurio por prácticamente todas las culturas porque se creía que no estaban sujetos a ninguna ley natural

Los cometas fueron interpretados en la antigüedad como mal augurio por prácticamente todas las culturas porque se creía que no estaban sujetos a ninguna ley natural, desafiaban el orden del Cosmos. Sin embargo, los meteoritos, es decir, los pedazos supervivientes de los meteoros que llegan a impactar contra la superficie terrestre, eran en ocasiones empleados en templos como piezas del cielo vinculadas a una divinidad de carácter celeste. De hecho, varios templos que todavía se mantienen en pie conservan meteoritos como parte de los elementos que rodean el culto de lo sagrado, como el aerolito de la Piedra Negra de la Kaaba, en La Meca.

Otra función más profana es el uso que le dieron los egipcios antiguos de extraer hierro (hierro del cielo, lo llamaban), de alto contenido en níquel en comparación con el hierro terrestre, con el objetivo de elaborar utensilios de gran valor.

Investigadores dicen que el Universo no tiene principio ni fin

ABC.es

• Un nuevo estudio pone en cuestión el Big Bang y sugiere que el Cosmos existió siempre

El Universo puede haber existido desde siempre, de acuerdo con un nuevo modelo que aplica términos de corrección cuántica para complementar la teoría de la relatividad general de Einstein. El modelo, según sus autores, también puede explicar existencia de la materia oscura y la energía oscura.

La edad ampliamente aceptada del Universo, según las estimaciones de la relatividad general, es de 13.800 millones de años. En un principio, se pensó que todo lo que existe ocupó en un principio un único punto infinitamente denso, o singularidad. Sólo después de este punto comenzó a expandirse en un ‘Big Bang’, que hizo que el universo comenzase oficialmente.

Aunque la singularidad del ‘Big Bang’ surge directa e inevitable de las matemáticas de la relatividad general, algunos científicos lo ven problemático porque las matemáticas sólo pueden explicar lo que sucedió inmediatamente después, no antes o en la singularidad.

«La singularidad del Big Bang es el problema más grave de la relatividad general, porque las leyes de la Física parecen romperse ahí abajo», dice a Phys.org Ahmed Farag Ali, de la Universidad de Benha (Egipto).

Ali y el coautor Saurya Das, de la Universidad de Lethbridge en Alberta, Canadá, han mostrado en un artículo publicado en Physics Letters B que la singularidad del Big Bang puede ser resuelta por su nuevo modelo, en el que el Universo no tiene principio ni fin.

Estos físicos enfatizan que sus términos de corrección cuántica no se aplican ‘ad hoc’ en un intento de eliminar específicamente la singularidad del ‘Big Bang’. Su trabajo se basa en las ideas por el físico teórico David Bohm, quien también es conocido por sus contribuciones a la Filosofía de la Física. A partir de la década de 1950, Bohm exploró reemplazar las geodesias clásicas (el camino más corto entre dos puntos de una superficie curva) con trayectorias cuánticas.

En su artículo, Ali y Das aplican estas trayectorias de Bohm a una ecuación desarrollada en la década de 1950 por el físico Amal Kumar Raychaudhuri, en la Universidad Presidency en Calcuta, India. Raychaudhuri fue también maestro de Das cuando era un estudiante universitario de esta institución en los años 90.

Usando la ecuación de Raychaudhuri cuánticamente corregida, Ali y Das derivan ecuaciones de Friedmann cuánticamente corregidas, que describen la expansión y evolución del universo (incluyendo el Big Bang) en el contexto de la relatividad general. Aunque no es una verdadera teoría de la gravedad cuántica, el modelo contiene elementos tanto de la teoría cuántica como de la relatividad general.

Además de no predecir una singularidad del Big Bang, el nuevo modelo tampoco predice una singularidad Big Crunch. En la relatividad general, un posible destino del Universo es que comienza a contraerse hasta que se derrumba sobre sí mismo en una gran crisis y se convierte en un punto infinitamente denso, una vez más.

Ali y Das explican en su artículo que su modelo evita singularidades debido a una diferencia clave entre geodesias clásicas y trayectorias de Bohm. Las geodesias clásicas finalmente se cruzan entre sí, y los puntos en los que convergen son singularidades. En contraste, las trayectorias de Bohm nunca se cruzan entre sí, por lo que las singularidades no aparecen en las ecuaciones.

En términos cosmológicos, los científicos explican que las correcciones cuánticas pueden ser consideradas como una constante cosmológica (sin la necesidad de la energía oscura) y un plazo de radiación. Estos términos mantienen el Universo en un tamaño finito, y por lo tanto le dan una edad infinita. Los términos también hacen predicciones que coinciden estrechamente con las observaciones actuales de la constante cosmológica y la densidad del Universo.

En términos físicos, el modelo describe el Cosmos como lleno de un fluido cuántico. Los científicos proponen que este líquido podría estar compuesto por partículas hipotéticas denominadas gravitones, sin masa, que median en la fuerza de gravedad. Si existen, se cree que los gravitones juegan un papel clave en una teoría de la gravedad cuántica.

Un nuevo telescopio obtendrá la visión más amplia del Universo jamás lograda

ABC.es

• El increíble LSST, que verá la luz en 2019 en el desierto chileno, observará miles de millones de objetos y verá nacer y morir a las estrellas

LSST Recreación artística del LSST en su ubicación en Atacama

Científicos de la Universidad de Washington y otras instituciones obtendrán la visión más amplia del Universo lograda hasta ahora gracias al Gran Telescopio para Rastreos Sinópticos(LSST), un nuevo instrumento que verá la luz en el año 2019 en el desierto de Atacama en Chile. Se trata del telescopio con el espejo convexo más grande jamás construido, según han explicado los expertos durante la reunión anual de la Sociedad Astronómica Americana. Observará miles de millones de objetos, verá nacer y morir a las estrellas y podrá avisar de la cercanía de asteroides peligrosos.

Este proyecto tiene décadas de planificación y una importante recaudación de fondos entre diferentes multimillonarios estadounidenses. Entre las aportaciones más destacadas están la de Charles Simonyi, quien ya ha viajado dos veces a la Estación Espacial Internacional (ISS) como turista y que ha donado 20 millones de dólares, y la de Bill Gates, que ha aportado otros 10 millones.

En total, ha sido necesario un presupuesto de 700 millones de dólares, que se comenzará a utilizar a partir de esta primavera, cuando se inicie la construcción de este aparato en la cima de una montaña en el desierto de Atacama. «Esperamos obtener los primeros datos, la primera luz, en 2019», ha explicado el astrónomo de la Universidad de Washington Zeljko Ivezic, principal responsable de este proyecto.

Según los astrónomos, LSST es un nombre simple para este increíble conjunto de espejos de 20 toneladas, que se va a convertir en la máquina más poderosa del mundo en el mapeo del cielo. La diferencia entre este telescopio y los ya existentes es que la mayoría toman instantáneas de una estrecha franja del espacio, mientras que el LSST explorará los cielos continuamente en franjas mucho mayores.

«La película más grande de todos los tiempos»

El telescopio producirá una imagen de todo el cielo cada tres días, una hazaña que al Telescopio Espacial Hubble le llevaría 120 años lograr. Sus creadores aseguran que el resultado permitirá a los astrónomos rastrear el movimiento de miles de millones de objetos, ver cómo colisionan las galaxias y cómo las estrellas nacen y mueren. «Va a ser la película a color más grande de todos los tiempos», ha añadido Ivezic.

Con su capacidad para detectar objetos débiles y mirar en los confines del universo, LSST fue diseñado para hacer frente a algunos de los mayores desafíos de la astronomía. En el aspecto práctico, el telescopio será capaz de mantener su ‘ojo’ en muchos más asteroides que cualquier otro método de encuesta, y podría dar el primer aviso de los objetos en curso de colisión con la Tierra.

El LSST también podrá mirar más allá de la órbita de Neptuno, hasta los planetas más lejanos y participar en la búsqueda de pistas sobre la formación del Sistema Solar.

Cuando está en pleno funcionamiento -probablemente para el 2021, según los responsables del proyecto- todos los datos y las imágenes serán compartidas con el público. Cualquier persona con un ordenador será capaz de acceder a sus imágenes.

Un telescopio de agujeros negros capta el Sol en rayos x de alta energía

El Pais

• el observatorio ‘NuSTAR’ »
• Los científicos consideran que el observatorio ‘NuSTAR’ ayudará a descifrar el enigma del calentamiento de la corona de la estrella
• Se ‘esconde’ la gran mancha solar que ha emitido potentes llamaradas

Las emisiones en rayos X de alta energía en el Sol se aprecian en esta imagen compuesta que sobrepone los datos del telescopio NuSTAR a los del SDO, ambos de la NASA. / NASA/JPL-Caltech/GSFC

Un telescopio de la NASA, el NuSTAR, diseñado y lanzado al espacio para observar agujeros negros, restos de supernova y otros fenómenos extremos en el universo, ha sido apuntado hacia un objeto mucho más corriente y cercano a la Tierra: el Sol. Se ha obtenido así la primera imagen de la estrella del Sistema Solar en rayos X de alta energía. Se trata de una foto sobrepuesta a otra tomada por el telescopio solar SDO, y en ella se aprecian emisiones de gas que superan los tres millones de grados centígrados.

Imagen de dos telescopios

La nueva foto del Sol, con datos del telescopio NuSTAR combinados con una imagen tomada por el  observatorio solar SDO, muestra en verde y azul las emisiones solares de alta energía (el verde corresponde a energías de entre 2 y 3 kiloelectronvoltios y el azul, entre 3 y 5 kiloelectronvoltios). El rojo corresponde a la luz ultravioleta captada por el SDO y desvela la presencia de material a baja temperatura en la atmósfera solar que está a un millón de grados, explica Caltech. Esta imagen desvela que parte de la emisiones más caliente captadas por el NuSTAR procede de localizaciones diferentes en las regiones activas de la corona de las de emisión más fría que capta el SDO.

“El NuSTAR nos dará una visión única del Sol, desde las partes más profundas hasta su atmósfera”, afirma David Smith, físico solar miembro del equipo del telescopio en la Universidad de California en Santa Cruz. Los científicos creen que con este observatorio podrían captar hipotéticas nanollamaradas solares.

La idea de apuntar el NuSTAR hacia el Sol surgió hace unos siete años, antes incluso de que el telescopio fuera lanzado al espacio (en junio de 2012), pero entonces pareció una propuesta descabellada, informa la NASA en un comunicado. “Al principio pensé que era una idea loca”, comenta Fiona Harrison, del Instituto de Tecnología de California (Caltech). “¿Por qué íbamos a apuntar hacia algo que está en nuestro patio trasero el telescopio de rayos X de alta energía más sensible que se ha construido jamás, diseñado para observar el universo profundo?”. Pero la idea fue ganando adeptos y acabó aprobándose.

No todo telescopio de rayos X puede permitirse mirar al Sol, que es demasiado brillante, por ejemplo, para el observatorio espacial Chandra, cuyos detectores resultarían afectados si lo intentara. Pero el NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) no corre ese riesgo porque el Sol no es tan brillante en el rango de alta energía de rayos X para el que están diseñados sus detectores, y eso depende de la temperatura de la atmósfera solar, explican los expertos.

La temperatura de la capa más externa de la atmósfera solar desconcierta a los científicos. Su media está en torno al millón de grados centígrados, mientras que la superficie de la estrella ronda los 6.000 grados. No hay una explicación definitiva sobre este fenómeno. Es como si salieran llamas de cubitos de hielo, dicen los expertos del Jet Propulsion Laboratory (JPL), institución dependiente de Caltech que gestiona la misión NuSTAR para la NASA. Y este observatorio puede ayudar a resolver el enigma si llega a captar unas hipotéticas nanollamaradas que, de existir y en combinación con las llamaradas normales, podrían ser la fuente de ese alto calor en la corona. Las nanollamaradas serían versiones pequeñas de las bien conocidas llamaradas, que se generan en gigantescas erupciones de partículas cargadas y radiación de alta energía asociadas a las manchas solares. “El NuSTAR será muy sensible a la más leve actividad en rayos X que se produzca en la atmósfera solar, y eso incluye posibles nanollamaradas”, señala Smith.

Ilustración del telescopio NuSTAR, con el mástil desplegado de 10 metros de longitud para separar los modulo ópticos de los detectores. / NASA/JPL-Caltech

El Sol está ahora en su pico de actividad del actual ciclo de manchas (de unos 11 años de duración), que es el número 24 desde que comenzó su registro sistemático en 1755. Por ellos los especialistas confían en que obtendrán mejores datos en futuras imágenes, cuando la estrella se calme, señala Smith.

El NuSTAR, una misión pequeña de la NASA y de bajo coste (unos 140 millones de euros) en la que participan varias universidades e institutos de investigación estadounidenses, la Universidad Técnica de Dinamarca y la Agencia Italiana del Espacio (ASI), está en órbita casi ecuatorial alrededor de la Tierra, a poco más de 600 kilómetros de altura. Sus objetivos científicos esenciales son hacer un censo de estrellas colapsadas y agujeros negros de diferentes tamaños mediante la observación de regiones alrededor del centro de la Vía Láctea, pero asomándose también al cielo extragaláctico; cartografiar el material sintetizado en remanentes de supernovas jóvenes para comprender cómo se crean elementos químicos; y ayudar a desvelar qué alimenta los chorros relativistas de partículas que emergen de las galaxias activas más extremas que alojan agujeros negros supermasivos.