Formacion de elementos pesados
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Se cree que las colisiones violentas entre estrellas de neutrones son el origen de elementos pesados como el oro y el platino. Pero se sabe poco sobre el proceso en sí. Los físicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers examinan ahora el papel que desempeña la fisión nuclear.
El Big Bang -el nacimiento del universo- creó los elementos más ligeros, en particular el hidrógeno. Todos los elementos más pesados de nuestro cuerpo y de nuestro entorno se formaron posteriormente mediante procesos en el cosmos. El más común es el proceso energético que hace brillar a nuestro sol y otras estrellas: en el núcleo de las estrellas se fusionan núcleos atómicos pequeños y ligeros para formar núcleos atómicos más pesados, liberando enormes cantidades de energía en el proceso.
Los elementos hasta el níquel y el hierro pueden formarse de esta manera. Pero los más pesados sólo se forman si los núcleos atómicos capturan neutrones libres, partículas que normalmente se encuentran en los propios núcleos atómicos (véase el recuadro informativo más abajo).
«Los neutrones libres son inusuales porque tienen una vida muy corta. Sin embargo, se liberan grandes cantidades de neutrones en algunos acontecimientos del universo. Un ejemplo es cuando una estrella masiva muere, explotando en una supernova», explica Andreas Heinz, que investiga en física subatómica en Chalmers.
Formación de elementos ligeros y pesados
La mayoría de los elementos más ligeros que el hierro se forjan en el núcleo de las estrellas. El centro caliente de una estrella alimenta la fusión de protones, apretándolos para construir elementos progresivamente más pesados. Pero más allá del hierro, los científicos se han preguntado qué podría dar lugar al oro, el platino y el resto de los elementos pesados del universo, cuya formación requiere más energía de la que puede reunir una estrella.
El estudio, publicado hoy en Astrophysical Journal Letters, informa de que en los últimos 2.500 millones de años se produjeron más metales pesados en las fusiones binarias de estrellas de neutrones, o colisiones entre dos estrellas de neutrones, que en las fusiones entre una estrella de neutrones y un agujero negro.
El estudio es el primero que compara los dos tipos de fusión en términos de producción de metales pesados, y sugiere que las estrellas binarias de neutrones son una fuente cósmica probable para el oro, el platino y otros metales pesados que vemos hoy en día. Los hallazgos también podrían ayudar a los científicos a determinar el ritmo al que se producen los metales pesados en todo el universo.
Cuando las estrellas experimentan la fusión nuclear, necesitan energía para fusionar protones y formar elementos más pesados. Las estrellas son eficientes en la producción de elementos más ligeros, desde el hidrógeno hasta el hierro. Sin embargo, fusionar más de los 26 protones del hierro resulta energéticamente ineficiente.
Cómo se crean los elementos
La nucleosíntesis es el proceso que crea nuevos núcleos atómicos a partir de nucleones (protones y neutrones) y núcleos preexistentes. Según las teorías actuales, los primeros núcleos se formaron unos minutos después del Big Bang, mediante reacciones nucleares en un proceso llamado nucleosíntesis del Big Bang[1] Después de unos 20 minutos, el universo se había expandido y enfriado hasta un punto en el que estas colisiones de alta energía entre nucleones terminaron, por lo que sólo se produjeron las reacciones más rápidas y sencillas, dejando nuestro universo con hidrógeno y helio. El resto son restos de otros elementos como el litio y el isótopo del hidrógeno, el deuterio. La nucleosíntesis en las estrellas y sus explosiones produjeron posteriormente la variedad de elementos e isótopos que tenemos hoy, en un proceso llamado evolución química cósmica. La cantidad de masa total de los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio (llamados «metales» por los astrofísicos) sigue siendo pequeña (unos pocos porcentajes), por lo que el universo sigue teniendo aproximadamente la misma composición.
Las estrellas fusionan elementos ligeros con otros más pesados en sus núcleos, desprendiendo energía en el proceso conocido como nucleosíntesis estelar. Las reacciones de fusión nuclear crean muchos de los elementos más ligeros, hasta el hierro y el níquel en las estrellas más masivas. Los productos de la nucleosíntesis estelar permanecen atrapados en los núcleos y remanentes estelares, excepto si son expulsados a través de vientos y explosiones estelares. Las reacciones de captura de neutrones del proceso r y del proceso s crean elementos más pesados, a partir del hierro.
Cómo se forman los elementos más pesados que el hierro
ESTARS DE NEUTRONES | ELEMENTOSDos estrellas de neutrones se fusionan en esta ilustración. Al combinarse, una bola de fuego de los elementos más pesados del universo es lanzada al espacio. Estos elementos se convierten en la base de las nubes de gas que acaban formando estrellas y planetas.NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet P: Dado que el elemento más pesado producido por la fusión nuclear es el hierro, ¿cómo se forman elementos como el oro y el uranio?
R: Los elementos más ligeros del universo -hidrógeno, helio y un poco de litio- nacieron poco después del Big Bang. Los elementos más pesados, hasta el hierro, se forjaron más tarde, en el corazón de las estrellas y en las supernovas. Sin embargo, al observar la tabla periódica, vemos que eso deja sin explicar dos tercios de la formación de los elementos.
La mayoría de estos «elementos pesados» se crean mediante la captura de neutrones por parte de los núcleos atómicos. Hay dos formas de este proceso de captura de neutrones: el proceso rápido (proceso r) y el proceso lento (proceso s). El proceso s produce principalmente elementos más ligeros hasta el plomo y el bismuto en la tabla periódica, mientras que el proceso r suele producir elementos tan pesados como el uranio. Hay un solapamiento sustancial en los elementos producidos, pero algunos elementos se fabrican exclusivamente mediante un proceso u otro; por ejemplo, el oro, el platino y el uranio sólo se producen mediante el proceso r.
