Ciencia para todos T02E02: El origen del oro

Por Francisco R. Villatoro, el 16 septiembre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Colaboración externa • Física • Noticias • Physics • Recomendación • Science ✎ 7

Te recomiendo escuchar el podcast “El origen del oro”, 12 sep 2019 [12:18 min] del programa de radio “Ciencia para todos” en el que participo junto a Enrique Viguera (profesor titular de genética de la Universidad de Málaga y coordinador de Encuentros con la Ciencia). Esta sección semanal del programa “Hoy por Hoy Málaga” presentado por Isabel Ladrón de Guevara, se emite todos los jueves en la Cadena SER Málaga (102.4 FM) entre las 13:00 y 14:00 horas (lo siento, no tiene hora fija de emisión).

En este programa hablamos del “malagueño Alberto Castro-Tirado, científico del Instituto de Astrofísica de Andalucía, con sede en Granada, quien, junto a otros colegas, ha confirmado que el origen del oro y otros metales preciosos está en el choque de estrellas”.

Escucha «El origen del oro» en Play SER.

Isabel: En la prensa hemos podido leer que el malagueño Alberto Castro Tirado, científico del Instituto de Astrofísica de Andalucía, con sede en Granada, junto a otros colegas han confirmado que el origen del oro y otros metales preciosos está en el choque de estrellas. Francis, ¿por qué se dice que han confirmado el origen y no que lo han descubierto?

Francis: Desde hace varias décadas los astrofísicos teóricos habían predicho que el origen del oro, la plata, el platino, el uranio y otros metales pesados era el choque de dos estrellas de neutrones, un fenómeno bautizado en 2010 como kilonova. Pero este predicción no se confirmó hasta la observación el 17 de agosto de 2017 usando astronomía multimensajero de una kilonova que ocurrió a 130 millones de años luz en la galaxia de la Hidra. Se observó mediante ondas gravitacionales gracias a los detectores de LIGO en EEUU y Virgo en Italia, GW170817, en rayos gamma gracias a telescopios espaciales, como brote corto de rayos gamma, sGRB170817, así como en el resto del espectro electromagnético con decenas de telescopios en la Tierra y en el espacio, desde rayos X a ondas radio, pasando por ultravioleta, visible, infrarrojo y microondas.

Esta confirmación fue la gran noticia científica del año 2018. Se ha aprendido mucho sobre las kilonovas gracias a este fenómeno único; la clave es la señal observada en el infrarrojo. Por ello se han vuelto a analizar con nuevos ojos otras kilonovas que ya se observaron en el pasado como brotes cortos de rayos gamma. Solo una de ellas que ocurrió en agosto de 2016, el estallido de rayos gamma GRB 160821B (detectado el 21 de agosto de 2016), que no fue detectada en ondas gravitacionales al no estar operativo aún el detector LIGO de ondas gravitacionales en 2016, y que ocurrió en una galaxia espiral a 2.500 millones de años luz, se observó en el infrarrojo para garantizar que se trata de una fusión de estrellas de neutrones. El malagueño Alberto Castro-Tirado ha liderado las observaciones de esta kilonova realizadas con el Gran Telescopio Canarias (GTC), el mayor telescopio del mundo, que está en el Observatorio de Roque de los Muchachos, en la isla de la Palma, en las Islas Canarias. La primera firmante del artículo científico es Eleonora Troja, de la Universidad de Maryland (EE UU).

Isabel: El famoso divulgador científico Carl Sagan decía que somos “polvo de estrellas”. Enrique, qué sabemos sobre el origen de los elementos químicos.

Enrique: En los años 1980, Sagan explicaba que “el nitrógeno de nuestro ADN, el calcio de nuestros dientes, el hierro de nuestra sangre y el carbono de las manzanas se fabricaron en el interior de estrellas que implosionaron” al final de sus vidas. Esta frase condensa todo lo que se sabía entonces sobre la procedencia de los elementos químicos de la tabla periódica.

Los dos elementos más ligeros, el hidrógeno y el helio, se formaron en menos de tres minutos después del Big Bang, hace 13.700 millones de años. Todos los elementos hasta el hierro se forman en el interior de las estrellas por fusión nuclear a altas temperaturas. Cuando estas estrellas explotan en supernovas al final de su vida esparcen todos esos elementos por el universo. Pero los elementos químicos más allá del hierro, como el oro, la plata o el uranio tienen un origen diferente, había dos posibles orígenes: las hipernovas (las supernovas más intensas observadas) o las fusiones de estrellas de neutrones. El nuevo trabajo de Alberto Castro-Tirado y sus colegas confirma que el origen es la fusión de estrellas de neutrones. En la kilonova del agosto de 2016 se produjeron unas 100 veces la masa de la Tierra en metales preciosos y uranio.

Isabel: Francis, ¿qué es una estrella de neutrones y en qué se diferencia de nuestro Sol?

Francis: Las estrellas de neutrones son uno de los posibles cadáveres de estrellas, una vez que se les acaba el combustible y explotan como supernovas, con su núcleo colapsando sobre sí mismo. Las estrellas como el Sol acabarán sus días como una gigante roja cuyo núcleo acabará dando lugar a una enana blanca y cuyas capas externas darán lugar a una nebulosa planetaria. Este proceso le ocurre a todas las estrellas con menos de 10 masas solares y el resultado es una enana blanca con una masa inferior a 1.4 masas solares. Las estrellas con entre 10 y unas 30 masas solares acaban sus días dando lugar a una estrella de neutrones, con una masa inferior a unas 3 masas solares y un diámetro menor de 25 km. Estas estrellas son como un núcleo atómico gigante; extremadamente densas, su interior está dominado por neutrones. Las estrellas con más de 30 masas solares, acaban su vida con una supernova o una hipernova que da lugar a un agujero negro con una masa como mucho de unas 50 masas solares.

Las kilonovas son explosiones tipo supernova pero entre 10 y 100 veces menos intensas, aunque son unas mil veces más intensas que las novas; la kilonova observada en 2017 con ondas gravitacionales y la kilonova observada en 2016 por Alberto Castro-Tirado y sus colegas se producen cuando dos estrellas de neutrones comienzan a orbitar una alrededor de la otra, su fuerza gravitatoria hace que empiecen a acercarse cada vez más hasta que colisionan.

Enrique: Se ha confirmado que las observaciones de agosto de 2016 corresponden a una kilonova, que ahora es la segunda confirmada hasta el momento. Solo dos parece poco, Francis, ¿se puede asegurar que son el origen del oro y los demás metales preciosos?

Francis: Muy buena pregunta, Enrique, como bien sabes en ciencia hay que realizar experimentos que confirmen la interpretación de las observaciones. Los modelos por ordenador más fiables de las colisiones de estrellas de neutrones que se usan para entender las señales observadas de estas kilonovas fueron desarrollados alrededor de 2010 por otro físico español, el conquense Gabriel Martínez Pinedo, ha liderado desde alrededor del año 2010 los cálculos por ordenador de estas colisiones de estrellas de neutrones cuyo brillo era de unas 1000 novas, por lo que le pusieron el nombre de kilonova.

Sin embargo, se necesitan experimentos sobre la materia nuclear en las colisiones de estrellas de neutrones. Gabriel Martínez Pinedo colabora con el Centro de Investigación de Iones Pesados y la Universidad Técnica de Darmstadt (Alemania). A partir de 2025, empezará a funcionar a pleno rendimiento el colisionador FAIR (Instalación para la Investigación de Iones y Antiprotones). El mayor laboratorio europeo de física nuclear generará los mismos núcleos pesados que se crean durante la fusión de estrellas de neutrones. Sus resultados confirmarán si efectivamente se producen así la mitad de los elementos más allá del hierro, como predijo el físico español y como sugiere la curva de luz observada tras la colisión de los dos astros.

Isabel: La fusión de estrellas de neutrones parece algo muy complicado, ¿cómo se producen exactamente los elementos químicos pesados como los metales preciosos?

Francis: en el choque violento se libera una inmensa cantidad de neutrones que, con las temperaturas extremas generadas por la colisión, bombardean a los átomos y forman elementos pesados. Estos elementos pesados salen disparados y se dispersan en el gas de las galaxias. Luego pasan a formar parte de las estrellas y los discos planetarios alrededor de las estrellas, donde más tarde se forman planetas que acaban con oro, como por ejemplo la Tierra. A partir del iterbio su formación se alterna entre el proceso lento (s-process) en el interior de estrellas y el proceso rápido (r-process) en las fusiones de estrellas de neutrones.

Se llama proceso-s a la nucleosíntesis por captura lenta de neutrones. Este proceso ocurre en un entorno en el que el tiempo entre capturas de neutrones por los núcleo es más largo que su vida media para la desintegración beta. El proceso-s ocurre en la etapa final de vida de las estrellas, en su interior, donde el número de neutrones libres es bajo. Se llama lento porque ocurre durante millones de años.

Se llama proceso-r a la nucleosíntesis por captura rápida de neutrones. Este proceso dura menos de un segundo y ocurre en un entorno rico en neutrones libres en el que ocurren capturas masivas de neutrones por parte de los núcleos. Este proceso es muy rápido en comparación con su posterior desintegración radiactiva beta, de ahí el nombre. Como requiere un entorno muy rico en neutrones libres, ocurre en los residuos expulsados tras las fusiones de estrellas de neutrones (como la observada mediante la onda gravitacional GW170817 y el brote corto de rayos gamma sGRB 170817).

Isabel: coda y cierre final.



7 Comentarios

  1. Hola.
    Hay una cosa que no comprendo (bueno, muchas, pero por ahora sólo pregunto una)
    El choque entre dos estrellas de neutrones debe ser un cataclismo, los metales que se forman deben salir espulsados de forma (más o menos) homogénea en todas las direcciones formando una nube de gas.
    Por otro lado tenemos que en la Tierra los metales no se encuentran formando una mezcla homogénea, sino que hay depósitos y vetas de metales de relativa pureza.
    ¿Cómo se pasa de una nube de gas más o menos homogénea a una mina como la de Potosí?

    1. Antonio, las kilonovas enriquecen con metales pesados amplias regiones donde pueden acabar formándose estrellas y discos protoplanetarios, donde se pueden formar planetas rocosos que contengan estos metales pesados en su corteza enfriada; un proceso en múltiples etapas que da lugar a minas como la de Potosí.

    1. Gracias, TiXolO, por notar mi error; tienes toda la razón, el Sol dará lugar a una gigante roja cuyo núcleo colapsará formando una enana blanca y su envoltura exterior dará lugar a una nebulosa planetaria; la expulsión de su envoltura exterior no será una supernova (que requiere una gigante roja de unas ocho masas solares como mínimo).

  2. Hola Francis, la errata de que el sol explotará en forma de supernova continua, puesto que habeis tachado lo de supernova y no habéis tachado ëxplotará¨. El sol se convertirá en una gigante roja para luego expulsar (no explotar) sus capas exteriores, pasando a ser una nebulosa planetaria,
    dejando el núcleo al desnudo sostenido por la presión de electrones degenerados. Ya que no alcanzará el límite de Chandrasekhar, pasará a ser una enana blanca.

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