Átomos para conocer mejor las estrellas de neutrones

La medición precisa de un exótico átomo en laboratorio ha perfeccionado la comprensión científica de las estrellas de neutrones, que están entre los objetos más extremos del universo. El estudio, publicado en Physical Review Letters , podría ayudar a los científicos a determinar si las estrellas de neutrones constituyen la fuente de docenas de elementos pesados ​​como el zinc, la plata y oro.

“Uno de los misterios primordiales del universo es saber donde se originan los elementos pesados”, dice James Lattimer, astrofísico de la Universidad Stony Brook en Nueva York, que no participó en el estudio. “Estas mediciones de masa nos permiten afinar nuestras ecuaciones para que podamos trabajar hacia la solución del debate”.

Las estrellas de neutrones no son en realidad estrellas del todo. Después de que una estrella masiva explote en una supernova, el remanente es una bola densa y caliente de gas de unos 20 kilómetros de diámetro. Se compone de protones, electrones y un montón de neutrones. Esa esfera posee una masa mayor que la del sol, con una superficie que se estima en 10 mil millones de veces más fuerte que el acero. Bajo estas condiciones extremas, los núcleos de los átomos que son normalmente inestables pueden subsistir en las capas exteriores de la estrella de neutrones.

Las estrellas de neutrones están demasiado lejos para estudiar su composición, y los científicos no pueden recrear las enormes presiones en el laboratorio. Pero pueden colocar las propiedades medidas de distintos átomos ricos en neutrones en simulaciones de computadora que predicen la composición de una estrella de neutrones. El físico Robert Wolf, de la Universidad de Greifswald en Alemania y un equipo internacional estaban particularmente interesados ​​en la determinación de la masa de zinc-82, que algunos modelos predicen que debería estar en la corteza de las estrellas de neutrones. Zinc-82 tiene un núcleo que consta de 30 protones y neutrones 52; muchos más que los 34 neutrones que se hallan en la forma más común de zinc. El reto fue aislar y medir el isótopo poco común, la mayoría de los cuales se descomponían en menos de un segundo.

En el CERN en Suiza, el equipo de Wolf usó las instalaciones del On-Line Isotope Mass Separator, que consiste en un haz de protones de alta energía que golpea un bloque grueso de carburo de uranio. Los protones rompen los núcleos en el objetivo, creando una gran cantidad de isótopos exóticos que rápidamente se desintegran en átomos más estables. Los investigadores, luego, exponen los átomos a campos eléctricos y magnéticos separados por masa.En varias décimas de segundo, se mide la masa de una muestra pura de zinc-82.

Los investigadores compararon la masa con las predicciones de los modelos informáticos  y determinaron que el zinc-82 está probablemente ausente en estrellas de neutrones. Eso está en línea con la predicción generalmente sustentada de la composición de una estrella de neutrones. Lattimer considera que este aspecto del estudio no es su mayor contribución; experimentos anteriores ya habían demostrado que el principal modelo era más preciso que otros. En cambio, está muy impresionado por el potencial de la técnica de precisar las características de los otros núcleos exóticos que pueden existir en las estrellas de neutrones.

Los científicos quieren crear este perfil compositivo porque las estrellas de neutrones puede ser la fuente de muchos de los elementos pesados ​​del universo. Las reacciones de fusión en los núcleos de las estrellas regulares producen carbono, oxígeno, nitrógeno y otros elementos esenciales para la vida. Pero el elemento más pesado que la fusión puede construir es el hierro. Los astrofísicos ha estado buscando otro proceso astronómico con suficiente energía para forjar elementos más pesados ​​a partir de protones y neutrones.

Una explicación es que estos elementos se forman en medio del calor y la energía de las supernovas y las estrellas de neutrones no serían necesarias. Pero las simulaciones muestran que estas explosiones tiene una cantidad insuficiente de neutrones. Esta necesidad de neutrones lleva a una idea: que los elementos pesados ​​se forman cuando dos estrellas de neutrones chocan y algunos de esos impactos arrojan material de la corteza al espacio.

Para evaluar esta posibilidad, los teóricos tienen la necesidad de mejorar los modelos de composición de una estrella de neutrones. Mediciones de la masa de los átomos pesados, como zinc-82, dice Wolf, les ayudarán a hacer eso. A continuación, los astrónomos pueden estudiar la abundancia de elementos pesados ​​en las diferentes estrellas y compararlas con las predicciones de lo que se produciría en colisiones estelares.

Autor: Andrew Grant

Enlace original: An atom sheds light on neutron stars