¿Qué es una kilonova y cómo forja oro en el espacio?

La alquimia más violenta del universo

Cada pieza de joyería de oro, cada anillo de platino y cada gramo de uranio en la Tierra comparten un origen común: una colisión cataclísmica entre dos estrellas muertas hace miles de millones de años. Estos eventos, llamados kilonovas, se encuentran entre las explosiones más energéticas del universo, y los científicos solo han confirmado recientemente su existencia.

¿Qué es una estrella de neutrones?

Para entender una kilonova, primero hay que entender las estrellas de neutrones. Cuando una estrella masiva, aproximadamente entre 8 y 20 veces la masa de nuestro Sol, agota su combustible nuclear, colapsa bajo su propia gravedad en una explosión de supernova. Lo que queda es una estrella de neutrones extraordinariamente densa: un objeto de unos 20 kilómetros de diámetro que contiene más masa que el Sol, comprimida de tal manera que los protones y los electrones se aplastan para formar neutrones.

Las estrellas de neutrones son los objetos más densos del universo que se pueden observar directamente. Una sola cucharadita de material de estrella de neutrones pesaría alrededor de mil millones de toneladas en la Tierra. Algunas estrellas de neutrones existen en pares binarios, encerradas en un abrazo gravitacional que se estrecha lentamente durante millones de años, hasta que las dos finalmente colisionan.

La colisión y el destello

Cuando dos estrellas de neutrones se fusionan, liberan una enorme ráfaga de energía en milisegundos. La colisión genera ondas gravitacionales, ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo, junto con un breve estallido de rayos gamma, uno de los eventos electromagnéticos más brillantes del universo observable.

Lo que sigue es la kilonova en sí. El material expulsado por la fusión, que viaja a aproximadamente el 20% de la velocidad de la luz, se somete a un proceso llamado captura rápida de neutrones, o el proceso r. Los núcleos atómicos absorben neutrones tan rápidamente que no pueden desintegrarse antes de capturar más, acumulándose en isótopos cada vez más pesados e inestables. Estos eventualmente se desintegran en elementos pesados estables: oro, platino, uranio y docenas de otros. Según datos observacionales publicados en revistas revisadas por pares, una sola kilonova puede producir más de 1000 veces la masa de la Tierra en metales pesados.

La nube de escombros brillantes se desvanece durante días y semanas, pasando del azul al rojo a medida que diferentes elementos se desintegran, una huella espectral que los astrónomos pueden leer desde la Tierra.

El descubrimiento que cambió la astrofísica

Durante décadas, las kilonovas fueron predicciones teóricas. Eso cambió el 17 de agosto de 2017, cuando los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo captaron una señal designada GW170817, que se originaba a 140 millones de años luz de distancia en la galaxia NGC 4993. En cuestión de horas, 70 observatorios en siete continentes y en el espacio se dirigieron hacia el mismo parche de cielo y encontraron la kilonova AT 2017gfo brillando precisamente donde había ocurrido la fusión.

Fue la primera vez que los científicos observaron el mismo evento cósmico tanto en ondas gravitacionales como en luz, inaugurando lo que los astrónomos llaman astronomía multi-mensajero. La NASA y el Observatorio Europeo Austral confirmaron que las firmas espectrales coincidían con las predicciones teóricas para la nucleosíntesis del proceso r. La revista Science lo nombró el Avance del Año para 2017.

De dónde provienen los elementos más pesados del universo

El descubrimiento zanjó un debate de décadas. Los científicos sabían desde hacía mucho tiempo que los elementos hasta el hierro se forjan dentro de las estrellas ordinarias, y que las supernovas los dispersan en el espacio. Pero el origen de los elementos más pesados que el hierro, aproximadamente la mitad de la tabla periódica, había sido incierto. Ahora se entiende que las kilonovas son la fuente dominante.

Más recientemente, el telescopio espacial James Webb detectó evidencia de oro fresco en una kilonova vinculada a un estallido de rayos gamma distante, según Space.com, lo que refuerza la imagen. Como Scientific American ha señalado, cada átomo de oro que has tocado nació en una catástrofe cósmica y se dispersó por las galaxias antes de condensarse finalmente en nuestro sistema solar.

Lo que los científicos aún quieren saber

Quedan preguntas clave sin respuesta. Los astrónomos quieren entender exactamente cuánto de cada elemento pesado produce una kilonova típica, si algunos eventos son mucho más prolíficos que otros y si las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones también generan kilonovas. Cada nueva detección de ondas gravitacionales ofrece la oportunidad de refinar las respuestas y rastrear la receta cósmica que finalmente construyó los átomos en nuestros cuerpos y nuestra civilización.