¿Cómo se producen los elementos químicos en nuestro Universo? ¿De dónde proceden los elementos pesados ​​como el oro y el uranio? Utilizando simulaciones por computadora, un equipo de investigación del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung en Darmstadt, en colaboración con colegas de Bélgica y Japón, muestra que la síntesis de elementos pesados ​​es típica de algunos agujeros negros con acumulaciones de materia en órbita, llamados discos de acreción. La abundancia predicha de elementos formados proporciona información sobre los elementos pesados ​​que deben investigarse en los laboratorios del futuro, como la Instalación de Investigación de Antiprotones e Iones (FAIR), actualmente en construcción, para descubrir el origen de los elementos pesados. Los resultados se publican en la revista Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

Todos los elementos pesados ​​de la Tierra se formaron hoy en condiciones extremas en entornos astrofísicos: dentro de las estrellas, en explosiones estelares y en la colisión de estrellas de neutrones. Los investigadores están intrigados por la pregunta en cuál de estos eventos astrofísicos existen las condiciones adecuadas para la formación de los elementos más pesados, como el oro o el uranio. El primer avistamiento espectacular de ondas gravitacionales y radiación electromagnética de un estrella neutrón La fusión en 2017 sugirió que se pueden producir y liberar muchos elementos pesados ​​en estas colisiones cósmicas. Sin embargo, queda abierta la pregunta de cuándo y por qué se expulsa el material y si puede haber otros escenarios en los que se puedan producir elementos pesados.

Candidatos prometedores para la producción de elementos pesados ​​son los agujeros negros que orbitan alrededor de un disco de acreción de materia densa y caliente. Dicho sistema se forma tanto después de la fusión de dos estrellas de neutrones masivas como durante el llamado colapso, el colapso y la posterior explosión de una estrella en rotación. La composición interna de tales discos de acreción no se ha entendido bien hasta ahora, en particular en lo que respecta a las condiciones en las que se forma un exceso de neutrones. Un alto número de neutrones es una condición básica para la síntesis de elementos pesados, ya que permite el rápido proceso de captura de neutrones o proceso r. Los neutrinos prácticamente sin masa juegan un papel clave en este proceso, ya que permiten la conversión entre protones y neutrones.

Vista en sección a través de la simulación de un disco de acreción del estudio del Dr. Just y sus colegas.
El agujero negro en el centro está rodeado por material en forma de toro de varios cientos de kilómetros de extensión. El eje de rotación del disco viene dado por el eje z, que pasa en R = 0 a través del agujero negro a lo largo de la dirección vertical. Las flechas ilustran la distribución de las velocidades de la materia. El sombreado de color muestra la densidad (arriba a la izquierda), la fracción de protones Ye (abajo a la izquierda) y escalas de tiempo características de la emisión de neutrinos (arriba a la derecha) y la absorción de neutrinos (abajo a la derecha). Los valores de Ye inferiores a 0,5 indican una alta fracción de neutrones disponibles para el proceso r. Crédito: Centro GSI Helmholtz para la investigación de iones pesados

“En nuestro estudio, estudiamos sistemáticamente por primera vez las tasas de conversión de neutrones y protones para una gran cantidad de configuraciones de disco utilizando elaboradas simulaciones por computadora, y descubrimos que los discos también son muy ricos en neutrones. Que se cumplen ciertas condiciones . conocido ”, dice el Dr. Oliver Just del Grupo de Astrofísica Relativista en la División de Investigación Teórica de GSI. “El factor decisivo es la masa total del disco. Cuanto más grande es el disco, más neutrones se forman a partir de protones por captura de electrones bajo emisión de neutrinos, y están disponibles para la síntesis de elementos pesados ​​utilizando el proceso r. Sin embargo, si la masa del disco es demasiado alta, la reacción inversa juega un papel más importante, de modo que los neutrones recapturan más neutrinos antes de que abandonen el disco. Estos neutrones luego se vuelven a convertir en protones, lo que dificulta el proceso r. Como muestra el estudio, la masa de disco óptima para una producción prolífica de elementos pesados ​​es de aproximadamente 0,01 a 0,1 de masa solar. El resultado proporciona una fuerte evidencia de que las fusiones de estrellas de neutrones que producen discos de acreción con estas masas exactas podrían ser el punto de origen de gran parte de los elementos pesados. Sin embargo, actualmente no se sabe si estos discos de acreción ocurren en los sistemas colapsados ​​y con qué frecuencia.

Además de los posibles procesos de eyección de masa, el grupo de investigación liderado por el Dr. Andreas Bauswein también está estudiando las señales luminosas generadas por la materia expulsada, que se utilizarán para inferir la masa y composición de la materia expulsada en futuras observaciones. De neutrones colisión de estrellas. Un elemento importante para leer correctamente estas señales de luz es un conocimiento preciso de las masas y otras propiedades de los elementos recién formados. “Estos datos son actualmente insuficientes. Pero con la próxima generación de aceleradores, como FAIR, será posible medirlos con un precisión en el futuro. La interacción bien coordinada de modelos teóricos, experimentos y observaciones astronómicas nos permitirá a los investigadores en los próximos años probar las fusiones de estrellas de neutrones como el origen de los elementos del proceso r ”, predice Bauswein.

Referencia: «Absorción de neutrinos y otras dependencias físicas en neutrinos enfriados agujero negro discos de acreción ”por O Just, S Goriely, H-Th Janka, S Nagataki y A Bauswein, 8 de octubre de 2021, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab2861