Llamaradas estelares pueden forjar el equivalente a oro

Astrónomos han descubierto un lugar de origen previamente desconocido para algunos de los elementos más raros del universo: una llamarada gigante desatada por una estrella supermagnetizada. Los astrónomos calcularon que estas llamaradas podrían ser responsables de la formación de hasta el 10% del oro, el platino y otros elementos pesados de nuestra galaxia.

El descubrimiento también resuelve un misterio de décadas en torno a un brillante destello de luz y partículas detectado por un telescopio espacial en diciembre de 2004. La luz provenía de un magnetar (un tipo de estrella envuelta en campos magnéticos billones de veces más fuertes que el de la Tierra) que había desatado una llamarada gigante. La potente explosión de radiación duró solo unos segundos, pero liberó más energía que la que el Sol libera en un millón de años.

Si bien el origen de la llamarada se identificó rápidamente, una segunda señal, más pequeña, procedente de la estrella, que alcanzó su punto máximo 10 minutos después, desconcertó a los científicos de la época. Durante 20 años, esa señal permaneció sin explicación.

Oro y platino

Ahora, un nuevo descubrimiento de astrónomos del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York ha revelado que la inexplicable señal más pequeña marcó el inusual nacimiento de elementos pesados como el oro y el platino.

Además de confirmar otra fuente de estos elementos, los astrónomos estimaron que la llamarada de 2004 por sí sola produjo el equivalente a un tercio de la masa terrestre en metales pesados. Informan de su descubrimiento en un artículo publicado el 29 de abril en The Astrophysical Journal Letters.

"Esta es realmente la segunda vez que vemos evidencia directa de dónde se forman estos elementos, la primera fue la fusión de estrellas de neutrones", afirma en un comunicado el coautor del estudio Brian Metzger, científico investigador principal del CCA y profesor de la Universidad de Columbia. "Es un avance sustancial en nuestra comprensión de la producción de elementos pesados. La mayoría de los elementos que conocemos y apreciamos hoy no siempre existieron", añade.

El hidrógeno, el helio y una pizca de litio se formaron en el Big Bang, pero casi todo lo demás ha sido fabricado por estrellas durante su vida o durante sus muertes violentas. Si bien los científicos comprenden a fondo dónde y cómo se forman los elementos más ligeros, los lugares de producción de muchos de los elementos más pesados ricos en neutrones (aquellos más pesados que el hierro) siguen sin estar claros.

Estos elementos, que incluyen el uranio y el estroncio, se producen en un conjunto de reacciones nucleares conocido como proceso de captura rápida de neutrones o proceso r. Este proceso requiere un exceso de neutrones libres, algo que solo se encuentra en entornos extremos.

Por lo tanto, los astrónomos esperaban que los entornos extremos creados por supernovas o fusiones de estrellas de neutrones fueran los lugares más prometedores para el proceso r. No fue hasta 2017 que los astrónomos pudieron confirmar un lugar para el proceso r al observar la colisión de dos estrellas de neutrones.

Estas estrellas son los restos colapsados de antiguas estrellas gigantes y están compuestas de una sopa de neutrones tan densa que una sola cucharada pesaría más de mil millones de toneladas. Las observaciones de 2017 mostraron que la colisión cataclísmica de dos de estas estrellas crea el entorno rico en neutrones necesario para la formación de elementos del proceso r.

Sin embargo, los astrónomos se dieron cuenta de que estas raras colisiones por sí solas no pueden explicar todos los elementos producidos por el proceso r que vemos hoy. Algunos sospecharon que los magnetares, que son estrellas de neutrones altamente magnetizadas, también podrían ser una fuente. Metzger y sus colegas calcularon en 2024 que las erupciones gigantes podrían expulsar material de la corteza de un magnetar al espacio, donde podrían formarse elementos del proceso r.

"Es bastante increíble pensar que algunos de los elementos pesados que nos rodean, como los metales preciosos de nuestros teléfonos y computadoras, se produzcan en estos entornos extremos", afirma Anirudh Patel, doctorando en la Universidad de Columbia y autor principal del nuevo estudio.

Los cálculos del grupo muestran que estas erupciones gigantes crean núcleos radiactivos pesados e inestables, que se desintegran en elementos estables como el oro. A medida que los elementos radiactivos se desintegran, emiten un resplandor luminoso, además de crear nuevos elementos.

El grupo también calculó en 2024 que el resplandor de las desintegraciones radiactivas sería visible como una explosión de rayos gamma, una forma de luz altamente energizada. Al discutir sus hallazgos con astrónomos observacionales de rayos gamma, el grupo descubrió que, de hecho, una señal de este tipo se había observado décadas antes y nunca se había explicado.

Dado que existe poca coincidencia entre el estudio de la actividad de los magnetares y la ciencia de la síntesis de elementos pesados, nadie había propuesto previamente la producción de elementos como causa de la señal. "El evento había quedado prácticamente olvidado con el paso de los años", afirma Metzger. "Pero pronto nos dimos cuenta de que nuestro modelo era perfecto para él".

Masa equivalente a la de Marte

En el nuevo artículo, los astrónomos utilizaron las observaciones del evento de 2004 para estimar que la llamarada produjo 2 billones de billones de kilogramos de elementos pesados (aproximadamente equivalente a la masa de Marte). A partir de esto, estiman que entre el 1% y el 10% de todos los elementos del proceso r en nuestra galaxia actual se crearon en estas llamaradas gigantes.

El resto podría provenir de fusiones de estrellas de neutrones, pero con solo una llamarada gigante de magnetares y una fusión documentadas, es difícil conocer los porcentajes exactos, o incluso si esa es la historia completa. "No podemos descartar que existan terceros o cuartos sitios que aún no hemos visto", afirma Metzger. "Lo interesante de estas llamaradas gigantes es que pueden ocurrir en etapas muy tempranas de la historia galáctica", añade Patel.

"Las llamaradas gigantes de magnetares podrían ser la solución a un problema que teníamos: se observan más elementos pesados en galaxias jóvenes que los que podrían crearse únicamente a partir de colisiones de estrellas de neutrones". Para reducir los porcentajes, es necesario observar más llamaradas gigantes de magnetares. Telescopios como la misión Compton Spectrometer and Imager de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para 2027, ayudarán a captar mejor estas señales.

Las grandes erupciones de magnetares parecen ocurrir cada pocas décadas en la Vía Láctea y aproximadamente una vez al año en el universo visible, pero la clave está en detectarlas a tiempo. "Una vez detectado un estallido de rayos gamma, hay que apuntar un telescopio ultravioleta a la fuente en un plazo de 10 a 15 minutos para ver el pico de la señal y confirmar que allí se forman los elementos del proceso r", afirma Metzger.